基于ANSYS Workbench分析熱軋卷取機卷筒芯軸斷裂原因

李勇，徐旭輝，全波，孫影，劉勻

（衡陽中鋼衡重設備有限公司，湖南衡陽 421002）

引言

隨著市場對高輕度鋼材的需求，傳統卷取機很難滿足鋼材的卷取，新一代強力卷取機不僅可以卷取高強帶鋼，還可以卷取X70，X80 和X100 等較厚的螺旋焊管[1]。熱軋帶鋼卷取機卷筒作為卷取機的核心部件，要求它在高溫狀態下高速卷取帶鋼，并且在鋼卷的壓緊力作用下縮小直徑，這就要求卷筒具有足夠的強度、剛度和長期可靠工作[2]。某鋼廠一支地下熱軋強力卷取機卷筒，在上機使用4 個月后出現斷裂，后重新更換新芯軸，仍出現斷裂現象。

1 模型的建立

根據某廠卷取設備設計要求，建立模型如圖1所示。工作時由脹縮油缸帶動芯軸來回移動，芯軸移動促使柱塞和連桿運動，實現扇形板的脹縮。所以芯軸的強度設計在整體設計中起了很重要的作用，關系到卷取機卷筒的使用壽命。依據以上液壓缸工作原理，得出芯軸受力與液壓缸壓力關系曲線，如圖2所示。

圖1 熱軋強力卷取機卷筒剖面視圖

圖2 芯軸受力與液壓缸壓力關系曲線

2 理論分析

具體分析參數：芯軸材料選用34CrNi3Mo，其材料性能為σs＞695 MPa，σb＞926 MPa，δ5＞14%，ψ＞40%，AKV＞54 J；基于soildworks 建立芯軸三維模型。將soildworks 建立的芯軸三維模型導入ANSYS Workbench分析。

得出分析結果如下，圖3 表示為芯軸等效應力分布云圖，由圖3 可以看出最大等效應力集中于連桿銷孔處。分析得出芯軸最大等效應力與液壓缸壓力關系曲線，如圖4所示。依照圖中曲線可知，正常工作狀態下（液壓缸壓力16 MPa 時），最大等效應力只有349.48 MPa，遠小于芯軸材料屈服強度，所以有限元分析結果初步判斷為疲勞斷裂。

圖3 芯軸等效應力云圖

圖4 芯軸最大等效應力與液壓缸壓力關系曲線

3 實驗分析

根據現場斷裂芯軸進行分析，斷口樣貌如圖5所示，其宏觀斷口特征表現為大部分斷口較為平坦，光滑。取斷口樣本兩件，分析如下。

圖5 斷口形貌和取樣

3.1 化學成份

采用ICAP-7600電感耦合等離子體原子發射光譜儀，分析結果如表1所列，分析得出材料的化學成份參照GB/T20127.3-2006 鋼鐵及痕量元素的測定依據，實驗證明材料成份正常。

表1 化學成份表

3.2 金相分析

實驗采用DM4000M 金相顯微鏡和BUHE5104硬度計，圖6所示為試樣斷口形貌，分析結果電鏡斷口處有疲勞斷裂源，且斷口光滑，屬于疲勞斷裂。

對非金屬夾雜物分布，結果得出非金屬夾雜物：A1，B0.5，C1，D1，符合標準。

圖6 試樣斷口形貌

對試樣組織形貌分析得出基體組織為索氏體+少量鐵素體+原奧氏體晶粒，并且原奧氏體平均晶粒度為8.0級，顯微硬度318HV0.5，材料組織正常。

3.3 機械性能

實驗采用美國Instron8802 電液伺服力學試驗機，分析得出如表2所列機械性能測試數據，實驗結果分析得出材料力學性能正常。

表2 機械性能測試數據

4 結論

（1）通過建立某鋼廠芯軸三維分析模型，基于ANSYS Workbench 分析得出，芯軸最大等效應力集中于銷軸孔處，正常工作壓力（16 MPa 時）下，最大等效應力為349.48 MPa遠小于芯軸材料屈服強度，分析初步表明芯軸斷裂為疲勞斷裂。

(2)依據實驗分析得出斷裂原因如下：化學成分、材料組織、力學性能表明正常，工件在使用過程中超出了材料的疲勞極限，導致工件發生疲勞斷裂。同時電鏡掃描的結果表明，斷口有疲勞輝紋等疲勞斷裂特征，說明芯軸是在工作時由于負載而產生的疲勞斷裂。結合卷筒與芯軸配合的其他零部件檢測結果發現，與芯軸尾部配合的銅套內部干燥無潤滑脂殘留，磨損量達0.6 mm，石墨脫出。這種狀態下，芯軸尾部配合間隙變大，潤滑不足，芯軸受力不均勻，多次循環載荷下導致中間穿連桿的1 處銷孔徑向產生低周疲勞斷裂，擴展為整體斷裂。

(3)綜合理論分析和試驗分析，表明芯軸斷裂為疲勞斷裂。