基于應(yīng)變能的工作輥輥頸軸承段多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

摘要：工作輥輥頸軸承段經(jīng)常因軸承卡死等出現(xiàn)燒傷失效問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)通常采用增材制造的方式進(jìn)行修復(fù)，對(duì)修復(fù)后的輥頸進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)預(yù)估工作輥安全服役并進(jìn)行檢修的關(guān)鍵，但目前缺乏針對(duì)相關(guān)問(wèn)題的研究。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)四輥軋機(jī)工作輥輥頸軸承段進(jìn)行了應(yīng)力分析和多軸壽命預(yù)測(cè)。基于西姆斯（SIMS）模型和影響函數(shù)法計(jì)算得到了軋制力和輥間應(yīng)力，在軸承段取矩建立輥頸端力矩平衡方程，建立了輥頸軸承段彎曲應(yīng)力模型。將變形抗力視為單位體積的塑性變形能，計(jì)算得到了變形區(qū)的軋制力矩，建立了輥頸軸承段扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力模型。使用第一強(qiáng)度理論，聯(lián)立彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力得到了等效應(yīng)力。選用多軸疲勞模型，在證明模型計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，對(duì)輥頸軸承段進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)，并與實(shí)際軋輥在生產(chǎn)線的服役壽命進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該四輥軋機(jī)工作輥輥頸軸承段應(yīng)力計(jì)算模型符合實(shí)際的輥頸應(yīng)力狀態(tài)，理論模型預(yù)測(cè)得到的服役壽命與實(shí)際服役壽命相比，誤差小于20%，滿足工程實(shí)際誤差的要求。

關(guān)鍵詞：四輥軋機(jī)；工作輥輥頸軸承段；多軸疲勞；壽命預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TH12 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 001

0 引言

軋輥是使軋件產(chǎn)生塑性變形的軋制工具［1］，是生產(chǎn)帶鋼產(chǎn)品的四輥、六輥和二十輥軋機(jī)的核心部件，其運(yùn)行狀態(tài)不僅直接影響成品帶鋼的質(zhì)量，更與軋制工序的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。

在實(shí)際服役生產(chǎn)過(guò)程中，工作輥處于輥間接觸應(yīng)力、軋輥與帶鋼間接觸應(yīng)力、輸入端的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力及機(jī)加工帶來(lái)的殘余應(yīng)力等復(fù)雜應(yīng)力的作用下［2］。在正常生產(chǎn)中，更多地關(guān)注因接觸應(yīng)力引起的工作輥接觸疲勞問(wèn)題，而對(duì)于輥頸等部位的服役強(qiáng)度及服役情況關(guān)注較少。但實(shí)際運(yùn)行中，由于軸承卡死、輥頸部位燒傷等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)通常采用激光熔覆等增材修復(fù)方式對(duì)輥頸部位進(jìn)行修復(fù)，所以如何合理評(píng)估和預(yù)測(cè)修復(fù)后工作輥輥頸軸承段的服役強(qiáng)度和壽命對(duì)保障現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)具有重要的意義。

軋制生產(chǎn)中，軋輥接觸點(diǎn)的次表面應(yīng)力場(chǎng)為典型的多軸應(yīng)力狀態(tài)，多軸疲勞破壞是其主要的失效形式［3］。為了預(yù)測(cè)機(jī)械部件在多軸循環(huán)加載下的疲勞壽命，各國(guó)科研工作者提出了大量的多軸疲勞壽命模型預(yù)測(cè)方法，主要分為三類：等效應(yīng)力應(yīng)變法［4］、能量法［5］和臨界面法［6］。這就需要選用合適的多軸疲勞準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估疲勞壽命。其中，臨界面法根據(jù)加載過(guò)程中裂紋形核和擴(kuò)展的試驗(yàn)現(xiàn)象觀察發(fā)展而來(lái)，有良好的壽命評(píng)估能力和明確的物理意義［7］，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

本文結(jié)合某生產(chǎn)線四輥軋機(jī)的實(shí)際情況，以力學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了四輥軋機(jī)輥頸軸承段的應(yīng)力計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上結(jié)合工作輥輥頸軸承段的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞理論，選擇臨界面法，基于應(yīng)變能的多軸疲勞壽命模型建立了四輥軋機(jī)工作輥輥頸軸承段的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)后工作輥輥頸軸承段進(jìn)行了服役壽命預(yù)測(cè)，保障了現(xiàn)場(chǎng)軋機(jī)的服役安全。

1 四輥軋機(jī)工作輥輥頸軸承段應(yīng)力分析

四輥軋機(jī)軋制過(guò)程具有對(duì)稱性，為降低模型的復(fù)雜程度，選用1/2模型進(jìn)行分析［8］。工作輥在輥系中的受力如圖1所示。其中，F(xiàn) （x） 為軋制過(guò)程中帶鋼與工作輥之間存在的軋制力，kN；P （x） 為工作輥與支撐輥之間存在的輥間壓力，MPa；Fb 為工作輥受到液壓彎輥施加的彎輥力，kN。通過(guò)液壓缸施加工作輥竄輥以更好地控制板形。

應(yīng)力狀態(tài)分析中需要重點(diǎn)關(guān)注輥頸服役性能的關(guān)鍵應(yīng)力、應(yīng)力水平及其循環(huán)特性。根據(jù)已有對(duì)輥系受力的有限元分析結(jié)果可知，輥頸部位的受力主要包含扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和彎曲引起的拉伸主應(yīng)力，且切應(yīng)力水平較低。因此，可根據(jù)強(qiáng)度理論，將切應(yīng)力和彎曲引起的拉伸主應(yīng)力等效換算為拉伸主應(yīng)力。對(duì)彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力進(jìn)行修正，作為疲勞性能測(cè)試和服役安全評(píng)估的關(guān)鍵應(yīng)力，然后進(jìn)行疲勞性能評(píng)價(jià)。