中厚板軋機(jī)萬向軸接管斷裂分析

黃 丹

（泰爾重工股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

中厚板軋機(jī)工作輥的傳動(dòng)比較依賴中厚板軋機(jī)萬向軸，結(jié)合設(shè)計(jì)需求，各承載轉(zhuǎn)動(dòng)力存有差異，通常扭矩非常高，因此，在萬向軸設(shè)計(jì)過程中需要著重關(guān)注應(yīng)力的集中點(diǎn)，結(jié)合其中疲勞強(qiáng)度的極限。某企業(yè)中厚板軋機(jī)已經(jīng)具備雙機(jī)架生產(chǎn)線，尤其引進(jìn)德國V01TH公司生產(chǎn)的軋機(jī)主傳動(dòng)萬向軸，從投入使用開始至當(dāng)前已經(jīng)具有一段時(shí)間。設(shè)備使用時(shí)間不斷延長的同時(shí)，設(shè)計(jì)及使用中有諸多不足之處，影響設(shè)備使用性能。結(jié)合中厚板軋機(jī)萬向軸接管斷裂事故案例，通過有限元方法做出分析且進(jìn)行完善，為后續(xù)生產(chǎn)提供可靠且穩(wěn)定的設(shè)備支撐。

1 有限元分析

有限元法屬于一種數(shù)值技術(shù)，用于偏微分方程邊值問題近似解的求解，讓誤差函數(shù)處于最小值，同時(shí)生成穩(wěn)定解。與連接多段微小直線逼近圓的內(nèi)容相比，該方法涵蓋了各可能方法，該方法的使用，聯(lián)系諸多有限元小區(qū)域中簡單方程、將其應(yīng)用于較大區(qū)域中簡單方程聯(lián)系評估，且對更大區(qū)域中復(fù)雜方程做出估算。其求解域的構(gòu)成可視作諸多有限元小的互連子域，設(shè)定各單元對應(yīng)近似解，通過推導(dǎo)計(jì)算，獲得該域總的滿足條件，進(jìn)而獲得問題的求解值。因?yàn)樵S多實(shí)際問題不易獲得正確的解值，有限元能精確計(jì)算在各類復(fù)雜圖形中均適用，所以該工程分析手段十分有效。通過上述原理，使用有限元分析軟件分析中間接軸，模擬其中會(huì)出現(xiàn)的安裝應(yīng)力，其中傳遞扭矩適用中扭轉(zhuǎn)力如何影響中間接軸，研究并分析中間接軸中應(yīng)力集中點(diǎn)分布，最終獲得問題的解決方案。

2 中厚板軋機(jī)萬向軸接管斷裂事故案例

萬向軸也被稱為萬向聯(lián)軸器，它與各機(jī)構(gòu)的2根軸連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件共同旋轉(zhuǎn)及扭矩傳遞。聯(lián)軸器行業(yè)構(gòu)成了通用機(jī)械行業(yè)不可或缺一部分，其產(chǎn)品應(yīng)用在行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域，如冶金、工程機(jī)械及造船等。2016年3月，某企業(yè)軋機(jī)法蘭斷裂，導(dǎo)致生產(chǎn)無法繼續(xù)進(jìn)行。萬向軸設(shè)備使用時(shí)間：軋線竣工運(yùn)行時(shí)間為2010年6月，粗軋機(jī)下主萬向軸一直使用至2015年1月，在此過程中更換電機(jī)側(cè)十字節(jié)2次，更換工作輥側(cè)十字節(jié)8次，中間接軸一直處于使用狀態(tài)，中間接軸累計(jì)使用時(shí)間較久。使用工況：竣工試運(yùn)行結(jié)束后，軋制無異常，斷裂時(shí)段無過載情況，電機(jī)并無跳閘。與設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明的H1040關(guān)節(jié)的交變疲勞轉(zhuǎn)矩相比，靠近軋輥側(cè)的法蘭中間接管扭矩并不小，表明傳遞扭矩?zé)o過載情況出現(xiàn)，其中交變疲勞轉(zhuǎn)矩MDW為4400 kN·m。

3 原因分析

3.1 中厚板軋機(jī)中間管機(jī)械性能參數(shù)校核與斷裂分析

從中間接管端面斷裂特性及撕裂裂口形狀可以看出，法蘭面根部出現(xiàn)平齊撕裂的舊裂紋，其中，由法蘭延伸至中間接管裂紋順著軸向夾角45°方向開裂為舊裂紋，其余則是新的撕裂裂紋。原因分析從2方面考慮：一方面，校核中間管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否符合要求；另一方面引起中間接管和法蘭連接根部產(chǎn)生斷裂，是否存在疲勞引起裂紋后擴(kuò)散所致。

中間接管的整體強(qiáng)度與尖峰負(fù)荷校核接管外徑86.5 cm相符性，接管壁厚8.5 cm，檢測結(jié)果接管化學(xué)構(gòu)成組分為42Cr-Mo。所以，可計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是否在許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力范圍內(nèi)，前提條件是電機(jī)跳閘保護(hù)倍數(shù)中尖峰負(fù)荷條件下。其中，空心軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力rmax=T/Wt，r為軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力，T為額定工作時(shí)主傳動(dòng)軸的扭矩Wt為抗扭截面系數(shù)。當(dāng)中間接管設(shè)計(jì)符合要求后，實(shí)際使用的應(yīng)力比材料設(shè)計(jì)應(yīng)力要小許多，當(dāng)不具備應(yīng)力集中條件時(shí)，中間接管的設(shè)計(jì)比較有效。

3.2 中厚板軋機(jī)疲勞裂紋擴(kuò)散分析

有限元法分析疲勞的主要思路（圖1）：先進(jìn)行靜或動(dòng)強(qiáng)度分析，接著進(jìn)入后處理器，得到有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，然后對載荷事件進(jìn)行再定義，循環(huán)材料特性，結(jié)合所需疲勞準(zhǔn)則，測算各載荷事件壽命，最終參照累計(jì)損傷理論評判是否出現(xiàn)破壞。如，在分析基于ABAQUS（工程模擬有限元軟件）實(shí)現(xiàn)微電子元器件熱疲勞上，結(jié)合低周熱疲勞分析，先分析模型中單一周次溫度循環(huán)載荷，分析Direct Cyclic（直接循環(huán)）模型。一般單個(gè)循環(huán)周次的循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生于引腳處。

圖1 基于有限元的疲勞仿真分析思路

勘察裂紋斷口發(fā)現(xiàn)，法蘭后端面接管外圓出現(xiàn)擠壓跡象，附近出現(xiàn)發(fā)黑及生銹的疲勞點(diǎn)，作出比較獲知，是螺栓六角頭擠壓所致（圖2）。分析此處結(jié)構(gòu)得到，與螺栓口比較接近處法蘭接管外圓直徑較大，使得螺栓六角頭僅能通過對邊借助外圓固定位置安裝法蘭。通過有限元軟件建模，模擬安裝中的預(yù)緊力力矩及實(shí)際工作中傳遞扭矩形成的力。應(yīng)用有限元軟件分析后發(fā)現(xiàn)，破壞位置生成應(yīng)力集中，應(yīng)力集中在連接螺栓頭部與中間接管擠壓中，和主傳動(dòng)軸萬向節(jié)連接過程中的法蘭根部，螺栓六角頭部擠壓中間接管形成的應(yīng)力是正常應(yīng)力值的（2～3）倍，在接管振動(dòng)過程中應(yīng)力值將更高，其他兩種應(yīng)力值相對較小。

螺栓擠壓螺母擰緊過程中，螺栓的六角頭與接管外圓相接而固定，不利施工操作，設(shè)計(jì)缺陷是連接螺栓會(huì)影響中間接管與法蘭連接根部倒角，所做倒角不應(yīng)太大，實(shí)際設(shè)計(jì)達(dá)到（0.2～0.3）mm。因此，在擰緊六角螺栓過程中，螺栓六角頭部對接管外圓產(chǎn)生擠壓作用，擠壓由螺栓緊固中螺栓預(yù)緊力殘留所致，在現(xiàn)實(shí)安裝中，需要螺栓預(yù)緊力符合規(guī)格，獲得螺栓對中間接管擠壓過程中的扭矩。同時(shí)因接管長時(shí)間振動(dòng)，擠壓位置多出現(xiàn)疲勞積累，傳遞扭矩時(shí)，此位置產(chǎn)生非常嚴(yán)重的應(yīng)力集中且不斷擴(kuò)散。以中間接管為走向，因?yàn)榉ㄌm根部斷裂影響，此處扭轉(zhuǎn)力需要中間接管的管體分擔(dān)，致使斷裂順著中間管蔓延，裂紋擴(kuò)展至一定規(guī)模，該處連接不能提供軋機(jī)軋制扭矩，導(dǎo)致接軸斷裂。

4 改進(jìn)與預(yù)防

由于螺栓六角頭部對接管外圓產(chǎn)生擠壓作用使得應(yīng)力集中，在中間接管受擠壓位置產(chǎn)生疲勞積累斷裂，繼而出現(xiàn)中間接軸的斷裂，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)（圖3），連接螺栓的外六角頭不會(huì)觸及中間接管的外圓，防止對接管的外圓產(chǎn)生擠壓，且避免與中間接管擠壓產(chǎn)生應(yīng)力集中，消除了連接螺栓對法蘭外圓擠壓的應(yīng)力，改進(jìn)設(shè)計(jì)可相應(yīng)增加中間接管與法蘭連接根部的倒角，提高應(yīng)力集中點(diǎn)的安全性。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)適用于類似軋機(jī)傳動(dòng)軸。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)重型機(jī)械的傳動(dòng)部件時(shí)，應(yīng)盡量防止產(chǎn)生應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)中無法消除，使用中需要定期檢查應(yīng)力集中位置，制定合理的更換維修計(jì)劃，提前消除事故隱患。為避免萬向接軸扁頭虎口受交變應(yīng)力作用影響而形成裂紋，注意調(diào)整扁頭與滑塊的配合間隙，使之處于有效受力條件下，避免使用中出現(xiàn)裂紋或疲勞裂紋生成時(shí)間過長，繼而延長扁頭的使用周期。

圖2 螺栓擠壓圖示

圖3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

［1］唐國軍，田乙哲.寬厚板軋機(jī)萬向接軸裂紋產(chǎn)生的原因分析及對策［C］.河北省冶金學(xué)會(huì)冶金設(shè)備學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013.

［2］雷傳東.中厚板軋機(jī)萬向軸接管斷裂原因分析［J］.天津冶金，2014（S1）：119-122.

［3］毛建國，鄭敏.5 m寬厚板軋機(jī)國產(chǎn)十字萬向軸使用實(shí)踐［J］.冶金設(shè)備，2012（S2）：128-129.