潘勛平,張春青,吳 軍
(寶鋼新日鐵汽車(chē)板有限公司,上海 200941)
寶鋼1800 mm冷軋酸洗-連軋生產(chǎn)線(xiàn)主要生產(chǎn)汽車(chē)板、家電板軋硬卷。連軋機(jī)是該機(jī)組關(guān)鍵的工藝設(shè)備之一,該設(shè)備及工藝技術(shù)從premetals引進(jìn),軋機(jī)3#~5#機(jī)架為十字萬(wàn)向軸。十字萬(wàn)向軸原設(shè)計(jì)使用日本進(jìn)口N公司產(chǎn)品,由于軋機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),限于工作輥直徑,傳動(dòng)軸回轉(zhuǎn)直徑為400 mm,同時(shí)需要傳遞較大的扭矩,萬(wàn)向軸中十字軸組件在使用中為出現(xiàn)疲勞失效,十字軸組件在萬(wàn)向軸中是核心部件同時(shí)也是易耗件。3#~4#機(jī)架傳動(dòng)軸十字軸組件壽命約為12個(gè)月,進(jìn)口備件的價(jià)格及供貨周期不滿(mǎn)足低成本快節(jié)奏的生產(chǎn)需求。因此嘗試國(guó)產(chǎn)化傳動(dòng)軸作為補(bǔ)充及技術(shù)儲(chǔ)備。
寶鋼1800 mm軋機(jī)是六輥軋機(jī),主馬達(dá)通過(guò)齒型聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速機(jī),減速機(jī)2根輸出軸通過(guò)萬(wàn)向軸傳動(dòng)上下工作輥,傳動(dòng)如圖1所示,其中1#、2#機(jī)架為鼓形齒傳動(dòng)軸,3#~5#機(jī)架為萬(wàn)向軸傳動(dòng),3#~5#馬達(dá)及十字萬(wàn)向軸參數(shù)如表1、表2所示。
圖1 軋機(jī)傳動(dòng)布置圖
表1 軋機(jī)的主要參數(shù)
表2 十字萬(wàn)向軸的主要參數(shù)
如圖2所示,寶鋼1800 mm軋機(jī)原設(shè)計(jì)使用進(jìn)口N公司SWP形式十字萬(wàn)向軸,圖3為國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸組裝圖,作為傳動(dòng)核心部件使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的失效,如叉頭或十字軸斷裂、half螺栓松動(dòng)斷裂、十字軸軸承燒損、十字軸磨損等。經(jīng)過(guò)多年對(duì)N公司的使用發(fā)現(xiàn),其主要失效形式為十字軸表面疲勞導(dǎo)致的淺層剝落失效:十字軸和滾針接觸區(qū)剝落、磨損。從多次解體十字軸組件的外觀分析,十字軸典型的失效過(guò)程:滾針接觸部位壓印產(chǎn)生-滾針接觸部位表層產(chǎn)生剝落-軸承間隙增加、金屬碎屑導(dǎo)致磨損加快-運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度升高及振動(dòng)沖擊增加-軸承燒損及螺栓松動(dòng)至斷裂。從失效機(jī)理說(shuō)屬于典型的淺層剝落類(lèi)的接觸疲勞破壞。在滾針和十字軸間隙均勻的情況下,負(fù)載使近十字軸端面的滾針最先接觸,最大應(yīng)力在十字軸近斷面的次表層,周期性的接觸應(yīng)力作用下,超過(guò)材料許用接觸應(yīng)力,產(chǎn)生微觀塑性變形(色差壓印),經(jīng)多次循環(huán)作用之后,就會(huì)產(chǎn)生裂紋,次表層裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近,所以裂紋開(kāi)始沿非金屬夾雜物平行于表面擴(kuò)展,而后在滾動(dòng)及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋,二次裂紋擴(kuò)展至表面,另一端則形成懸臂梁,因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷,從而形成淺層金屬剝落。
圖2十字軸淺層剝落外觀發(fā)展過(guò)程
圖3 國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸組裝圖
對(duì)進(jìn)口傳動(dòng)軸進(jìn)行分析,確定國(guó)產(chǎn)化傳動(dòng)軸在考慮接口互換性的前提下,兩側(cè)十字軸組件采用非等回轉(zhuǎn)直徑設(shè)計(jì),即輥側(cè)十字軸組件回轉(zhuǎn)直徑為400 mm,減速機(jī)側(cè)十字回轉(zhuǎn)直徑為430 mm,采用SWP結(jié)構(gòu),如表3所示。
表3 十字萬(wàn)向軸主要部件材質(zhì)及主要加工要求
2.2.1 彎曲強(qiáng)度
對(duì)傳動(dòng)軸總成通過(guò)建模,如圖4所示,簡(jiǎn)化哈弗蓋斷面齒及螺栓聯(lián)接約束,對(duì)蘭叉及十字軸進(jìn)行強(qiáng)度分析,按額定扭矩的175%考慮過(guò)載扭矩,各主要部件最大等效應(yīng)力如表4所示。
十字軸材料為15CrNi4MoA,材料的力學(xué)性能為σb≥1200 MPa、σs≥900 MPa。材料的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限
σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1200+900)=591.3 MPa
表4 叉座和十字軸在額定扭矩和過(guò)載扭矩時(shí)最大等效應(yīng)力
材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限
σ0=1.33σ-1=1.33×591.3=786.43 MPa
取叉頭的尺寸系數(shù)ε=0.65,則脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限
(σ0)d=εσ0=0.65×786.43=511.18 MPa
額定扭矩十字軸等效應(yīng)力SWP400 396.45 <511.18 MPa,SWP430 325.08<511.18 MPa,175%過(guò)載扭矩十字軸等效應(yīng)力SWP400 524.4>511.18 MPa,SWP430 430<511.18 MPa,即十字軸最大等效應(yīng)力小于疲勞極限強(qiáng)度,滿(mǎn)足壽命要求。175%過(guò)載扭矩時(shí)SWP400十字軸稍有不足,設(shè)計(jì)通過(guò)剪切安全銷(xiāo)保護(hù)傳動(dòng)軸。
42CrMo材料熱處理后的常規(guī)力學(xué)性能為σb≥1000 MPa、σs≥800 MPa。材料的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1000+800)=486 MPa 。
圖4 叉座和十字軸有限元分析
材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限
σ0=1.33σ-1=1.33×486=646.38 MPa
取叉頭的尺寸系數(shù)ε=0.65,則脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限
(σ0)d=εσ0=0.65×646.38=420.15 MPa
額定扭矩叉座等效應(yīng)力SWP400 255.73<420.15 MPa,SWP430 222.26<420.15 MPa。175%過(guò)載扭矩叉座等效應(yīng)力SWP400 338.3<420.15 MPa,SWP 430 294<420.15 MPa。叉座在額定扭矩及175%過(guò)載扭矩下均可以滿(mǎn)足使用要求。
2.2.1 接觸強(qiáng)度
十字軸組件是萬(wàn)向軸傳動(dòng)的關(guān)鍵部件,歷次失效均發(fā)生十字軸表面淺層剝落,因此十字軸組件的制造是國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)及關(guān)鍵部件。十字組件由十字軸、滾針、外圈、密封、墊片等組成,如圖5所示。進(jìn)一步對(duì)十字軸組件進(jìn)行接觸疲勞分析。通過(guò)對(duì)十字軸組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過(guò)施加額度扭矩及最大過(guò)載扭矩,有限元仿真如圖6所示,十字軸和滾針的接觸應(yīng)力如表5所示。
圖5 十字軸組件結(jié)構(gòu)圖
圖6 十字軸有限元分析模型
表5 十字軸和滾珠的最大接觸應(yīng)力對(duì)比MPa
最大接觸應(yīng)力在表面以下0.2~0.3 mm處,軸承的許用接觸應(yīng)力為σH=2000~2240 MPa,在超過(guò)額定負(fù)載十字軸接觸區(qū)表面以下會(huì)產(chǎn)生塑性變形,循環(huán)交變應(yīng)力作用使零件會(huì)產(chǎn)生疲勞,裂紋在次表層萌發(fā)并擴(kuò)展,當(dāng)達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致淺層剝落。
原進(jìn)口N公司十字萬(wàn)向軸兩側(cè)十字組件回轉(zhuǎn)直徑均為400 mm,主要組件材料十字軸選用JIS標(biāo)準(zhǔn)SNCM815(GB 15CrNi4MoA)。在十字軸組件國(guó)產(chǎn)化探索實(shí)踐中,對(duì)材料選擇進(jìn)行多次試驗(yàn),試驗(yàn)情況如表6所示。
對(duì)多次試驗(yàn)可以看出使用15CrNi4MoA作為十字軸材料和進(jìn)口材料成分相當(dāng),壽命也達(dá)到了8個(gè)月,如表7所示。該試驗(yàn)是國(guó)產(chǎn)化探索實(shí)踐中有參考價(jià)值的一次試驗(yàn)。下機(jī)解體十字軸劣化如圖7所示。
圖7 國(guó)產(chǎn)十字軸失效外觀
表6 國(guó)產(chǎn)十字軸不同材料拉伸沖擊試驗(yàn)
表7 十字軸組件材料對(duì)壽命影響對(duì)比
其劣化以滾針接觸區(qū)輕微壓印為主,因加工及組裝不對(duì)稱(chēng),受力較大的軸滾針區(qū)接觸局部嚴(yán)重淺層剝落。同時(shí)在非高接觸應(yīng)力出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象說(shuō)明材料可能存在夾雜。
對(duì)比進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)十字軸金相組織進(jìn)行對(duì)比分析如圖8所示。
圖8 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)十字軸金相組織進(jìn)行對(duì)比分析
在和進(jìn)口十字軸使用材料成分相當(dāng)?shù)那闆r下,國(guó)產(chǎn)十字軸在熱處理上和國(guó)外廠(chǎng)家存在差距:國(guó)產(chǎn)十字軸表面硬度HRC57~58和進(jìn)口十字軸表面硬度HRC60~61,洛氏硬度HRC相對(duì)低3度;有效硬化深度國(guó)產(chǎn)十字軸做到2.9 mm深,而進(jìn)口十字軸做到3.5 mm深;外部取樣力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn):國(guó)產(chǎn)十字軸RP0.2950 MPa、Rm1250 MPa,進(jìn)口十字軸RP0.21020 MPa、Rm1300 MPa;金相組織:國(guó)產(chǎn)十字軸表面金相組織為粗大的回火馬氏體及部分針狀貝氏體,晶內(nèi)有大量細(xì)小碳化物,晶界有網(wǎng)狀二次滲碳體析出,心部為回火板條馬氏體及貝氏體,進(jìn)口十字軸表面金相組織為回火板條馬氏體、部分針狀馬氏體及少量殘余奧氏體,心部為回火低碳板條馬氏體,低碳板條馬氏體使十字軸本體在具有高強(qiáng)度的同時(shí),還兼有良好的塑性及韌性。
目前國(guó)內(nèi)軋機(jī)主傳動(dòng)軸備件以進(jìn)口為主,在國(guó)產(chǎn)化道路上任重道遠(yuǎn),在制造上需要更多工匠精神。通過(guò)分析可以得出結(jié)論:這種傳動(dòng)軸失效形式為疲勞導(dǎo)致的淺層剝落失效,15CrNi4MoA是作為十字萬(wàn)向軸合適的材料,國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸整體強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。但若想進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)軋機(jī)主傳動(dòng)軸使用壽命,可通過(guò)提高有效硬化,機(jī)械加工中增加表面拋光提高表面光潔度、改善組裝條件,保證對(duì)稱(chēng)受力等方面實(shí)現(xiàn)。