4700mm寬厚板軋機主傳動裝置疲勞壽命分析

王潤澤

（南京鋼鐵股份有限公司 江蘇 南京 210035）

1 前言

軋機是冶金工業的重要單體設備，軋機主傳動系統是軋機的力和能量傳遞的主要通道，也是軋機的薄弱環節，因此，軋機主傳動系統必須有足夠的強度，以滿足軋機連續生產的需求［1］。一旦主傳動裝置中關鍵受力部件發生損壞，軋制生產會立即停止，容易造成較大經濟損失，同時也存在著一定的安全隱患［2］。

寬厚板軋機主傳動裝置作為軋機的核心組件，主要用來傳遞比較大的扭矩，使用過程中經常會受到工程惡劣、載荷、沖擊等因素影響［3］，導致其主傳動系統中重要受力部件如下輥萬向接軸輥端滑塊式萬向聯軸器扁頭發生斷裂事故，造成重大的經濟損失。因此對于軋機關鍵零部件強度的計算分析以及其壽命的預估尤為重要。

2 有限元分析

2.1 網格劃分

根據寬厚板軋機主傳動裝置的各零部件二維圖，1：1建立三維裝配模型，為了節省計算資源以及計算的精準度，對裝配體中的關鍵受力部件接軸插頭、花鍵軸、銷軸采用六面體劃分，其余部件采用四面體劃分，共生成網格數量1193087個，節點數量267110個。有限元模型如圖1所示。

圖1 主傳動裝置有限元模型

2.2 材料屬性

本軋機主傳動裝置中的接軸叉頭、花鍵軸、萬向聯軸器扁頭的材料為33CrNiMo744，其密度為7.9×10-6kg·mm-3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，其化學成分如表1所示。其余部件采用優質碳素結構鋼，密度為7.85×10-6kg·mm-3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.29。將材料賦予到幾何單元，再賦予到網格模塊完成材料屬性的設置。

表1 33CrNiMo744的化學成分

2.3 約束與載荷的設置

軸與軸之間建立螺栓連接以實現力矩傳遞，共計78個。在剛性接觸的部件之間添加1D剛性單元，根據力矩的傳遞方向路徑，確定其主從動部分，以實現面與面之間的力矩傳遞。將主傳動裝置左邊的最終輸出軸限定其六個自由度，其他部件通過螺栓以及1D剛性單元的限制不用加以自由度約束。在輸入端軸頭施加軋機額定軋制力矩的2.75倍，即切斷力矩5835.7kN·m，進行有限元求解計算。其關鍵約束與載荷如圖2所示。

圖2 輸入端擺頭載荷及約束

2.4 結果分析

經過計算，軋機最易損壞的萬向聯軸器扁頭的應力云圖如圖3所示，應力最大點發生在扁頭的叉頭與軸相過渡的圓角處，最大應力為370.8MPa，根據文獻［4，5］，查得屈服極限應力［σs］為550MPa，扁頭的最大應力小于材料的屈服應力，所以軋機如果在額定軋制力矩的2.75倍下運轉，軋機的萬向聯軸器扁頭不會發生不可逆的塑性變形從而導致斷裂損傷。實際生產中萬向聯軸器扁頭發生損傷的位置與模擬計算中應力最大的位置一致，驗證了有限元模型的正確性。

圖3 萬向聯軸器扁頭應力云圖

接軸叉頭的應力云圖如圖4所示，應力最大點發生在叉頭虎口的中間特征變換處，最大應力為255.4MPa，同樣小于材料的屈服應力，即不會發生瞬時過載斷裂的情況。而由實際情況可知，接軸叉頭發生了斷裂事故，位置與模擬計算中應力最大的位置一致。考慮到軋機已經工作兩年有余，因此判斷實際斷裂事故屬于長期疲勞損傷累積作用導致，需要對軋機的疲勞壽命進行分析研究。

圖4 接軸叉頭應力云圖

3 疲勞壽命計算

本文采用修正Miner法則的疲勞壽命估算，按修正Miner法則定義，當臨界損傷之和為一個不等于1的常數a時，即：

式中： D—臨界損傷和；

k—隨機載荷應力譜中應力水平分級的級數；

Ni—單一應力σi作用下材料發生疲勞破壞的應力循環次數；

ni—某一應力級別的應力循環次數。

在進行軋機萬向接軸叉頭的疲勞計算時，根據文獻［5］通常將a值取0.7，其壽命估算結果比Miner法則更加安全，估算精度總體上比Miner法則也有所提高。

在零件疲勞壽命計算中，為反映存活率對材料疲勞壽命計算結果的影響，引入ap和bp，這兩個參數為與存活率有關的材料常數［6］。通過確定兩個關鍵點來近似表示S-N曲線，即103次疲勞循環對應于0.9倍的材料抗拉強度，107次疲勞循環對應于材料疲勞極限，根據p-S-N曲線通用表達式：

求得ap為37.3，bp為-11.8。

其中，σ表達式為：

式中 Kσ—有效應力集中系數；

ε—絕對尺寸系數；

β—表面狀況影響系數。

通過查閱《機械設計手冊（第5版）第6卷》，綜合考慮接軸叉頭的階梯結構、尺寸大小及倒角限制，取Kσ=1.8；ε=0.678；β=1.3。

由此得到的接軸叉頭的疲勞循環壽命計算公式如下：

式中： Pi—應力級別σi在一個軋制循環中所占的百分比。

通過上文的有限元分析結果，可以得到應力和載荷之間的轉換系數，根據實際生產中本4700mm寬厚板軋機在各軋制力矩下所對應的軋制頻次，將本軋機的設定扭矩從2122.1kN·m到5305kN·m分為十個軋制等級，其每個軋制力矩所對應的軋制頻次通過換算得到的Pi值如表2所示。

表2 各軋制力矩與Pi值對應表

寬厚板軋機按一天工作24小時，軋制道次為4800次，按一年工作360天，可得到接軸叉頭的疲勞壽命T為：

該計算結果與寬厚板軋機主傳動裝置軋制側接軸叉頭發生斷裂事故時的已使用壽命相符，驗證了計算的正確性。

4 結論

寬厚板軋機主傳動裝置在使用過程中經常會受到工程惡劣、載荷、沖擊等因素影響，導致主傳動系統零部件的壽命銳減，從而發生斷裂事故［7］。本文計算得出本軋機主傳動裝置軋制側接軸叉頭的壽命為2.79年，與軋機實際運轉不到三年接軸叉頭發生斷裂事故的實際相符，證明了有限元模型和壽命計算的正確性，為后期調整軋機運轉強度提供理論參考。