熱軋卷取機卷筒芯軸的設計與分析

（湖南科美達電氣股份有限公司，湖南岳陽 414000）

0.引言

以1700連桿柱塞式熱軋卷取機卷筒為對象，該結構形式是國內外最最常用的結構，其工作原理由芯軸在脹縮油缸的拉動下，芯軸上的四棱錐面通過柱塞頂開扇形板，使卷筒脹開，從而開始卷取工作[1]，反之，芯軸在脹縮油缸的推動下，使卷筒縮小，芯軸頭部與油缸活塞桿通過哈弗接手連接，在實際使用過程中往往芯軸頭部出現斷裂或出現裂紋，芯軸的斷裂會使整個卷筒無法正常工作而停機，所以芯軸是十分重要的，設計中需充分注意，保證其強度和剛度。

造成芯軸出現上述問題的原因主要有以下幾點：

（1）芯軸頭部圓弧特征處沒有光滑過渡或是光潔度沒有達到要求，導致應力集中而出現裂紋或斷裂。（2）卷筒脹縮油缸的工作壓力在13MPa左右，一般不允許長時間高于18MPa，如果因卷高強度鋼等特殊原因須將工作壓力調高至18MPa甚至20MPa，則有拉斷活塞桿頭或卷筒芯軸頭部的風險。（3）由于芯軸材料屬于鍛造合金鋼，在鍛造后可能存在一定的內部鍛造缺陷沒有發現而導致芯軸性能下降出現問題。（4）芯軸結構特征的區別，見圖1、圖2。

圖1 結構1

圖2 結構2

下面將針對芯軸進行靜應力強度分析和疲勞強度分析。

1.靜應力強度計算

在靜應力時工作的零件，其強度失效將是塑性變形或斷裂，并通過下面兩種方法來判斷零件的強度[2]。

方法一：通過判斷危險截面的最大應力是否小于或等于許用應力[2]。方法二：通過判斷危險截面的實際安全系數是否大于或等于許用安全系數[2]。

簡化模型，減少計算量，忽略其他因素，按照不發生塑性變形的條件進行強度計算[2]，已知脹縮油缸型缸徑為φ390mm，桿徑直徑180mm，正常工作壓力13MPa，芯軸材料為2Cr13鍛件，許用應力[σ]=184MPa，許用安全系數[S]=2.5～3[3]（計算忽略一些因素，將許用安全系數進行適量增大），調質處理，抗拉強度σb=800MPa～950MPa，屈服強度σs≥ 550MPa，結構1最小截面處φ130mm(圖1所示)，結構2最小截面處φ120mm（圖2所示），計算如下：

根據本計算，當脹縮油缸工作壓力由13MPa上升至20MPa時，靜應力和安全系數也均能滿足，所以危險截面靜應力分析滿足需求。

2.疲勞強度計算

在變應力時工作的零件，其強度失效將是疲勞斷裂[2]。簡化模型，減少計算量，忽略其他因素，單獨使用安全系數校核的方法來驗證芯軸的疲勞強度，芯軸頭部受脈動循環拉力F=0N-1220kN（最小循環拉力假設為0），r=常數，材料2Cr13，調質處理240HB-280HB，屈服強度σs≥550MPa，抗拉強度σb=800MPa～950MPa，計算如下：

查手冊得出疲勞理論系數，見表1[2]。

表1 疲勞理論系數

本次按照1700熱軋卷取機作為輸入參數進行計算，按照當期卷鋼量達產100萬噸作為周期指標，一般芯軸質保3個周期，往往芯軸頭部出現裂紋也是在3周期以后，按照平均每卷鋼卷20t來計算。

同理，當工作壓力上升至15MPa甚至20MPa時，不同周期數經過計算得出周期—安全系數，見表2。

表2 周期—安全系數

從表2可以推導出：13MPa時，疲勞強度安全系數Sσ＞[S]=2.5～3，15MPa時，疲勞強度安全系數Sσ≈[S]，20MPa時，疲勞強度安全系數Sσ＜[S]，并且安全系數隨著芯軸使用周期的變大而變小，安全系數隨著脹縮油缸的工作壓力變大而變小，安全系數隨著應力集中系數的變大而變小。

3.有限元分析

將芯軸頭部兩種結構用三維Creo簡化建模并導入ansys workbench19.0中，設置材料2Cr13，彈性模量216GPa，泊松比0.28，材料密度7770kg/m3，油缸工作壓力13MPa，然后觀察兩種結構的應力云圖，見圖3和圖5。

從圖3、圖4、圖5、圖6應力云圖可以得出，圖3所示結構1芯軸頭部應力主要集中在圓角R5處，最大應力440MPa；圖4所示結構1芯軸頭部危險截面應力云圖，平均應力100.1MPa；圖5所示結構2芯軸頭部應力主要集中在R15處，最大應力281MPa；圖6所示結構2芯軸頭部危險截面應力云圖，平均應力97.3MPa；從靜強度有限元分析驗證表3平均應力均小于許用應力值，且結構2優于結構1。

圖3 結構1應力云圖

圖4 結構1危險截面應力云圖

圖5 結構2應力云圖

圖6 結構2危險截面應力云圖

表3 平均應力

4.結語

由于卷取機卷筒在實際生產過程中工況惡劣，受力復雜，所以本文通過簡化模型在理想狀態下進行上述計算，其計算結果通過一定的規律可以發現，為了保證芯軸最大化使用壽命必須在額定的工作壓力下進行卷筒脹縮，不得長時間超過13MPa工作壓力進行工作，芯軸使用滿3個周期后必須對危險薄弱區域進行無損探傷，結構設計時盡可能的將過渡圓角增加并且拋光處理，降低其應力集中的危險，以上為芯軸設計和優化提供了可靠依據。