中厚板轧机万向轴接管断裂分析

黄 丹

（泰尔重工股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

0 引言

中厚板轧机工作辊的传动比较依赖中厚板轧机万向轴，结合设计需求，各承载转动力存有差异，通常扭矩非常高，因此，在万向轴设计过程中需要着重关注应力的集中点，结合其中疲劳强度的极限。某企业中厚板轧机已经具备双机架生产线，尤其引进德国V01TH公司生产的轧机主传动万向轴，从投入使用开始至当前已经具有一段时间。设备使用时间不断延长的同时，设计及使用中有诸多不足之处，影响设备使用性能。结合中厚板轧机万向轴接管断裂事故案例，通过有限元方法做出分析且进行完善，为后续生产提供可靠且稳定的设备支撑。

1 有限元分析

有限元法属于一种数值技术，用于偏微分方程边值问题近似解的求解，让误差函数处于最小值，同时生成稳定解。与连接多段微小直线逼近圆的内容相比，该方法涵盖了各可能方法，该方法的使用，联系诸多有限元小区域中简单方程、将其应用于较大区域中简单方程联系评估，且对更大区域中复杂方程做出估算。其求解域的构成可视作诸多有限元小的互连子域，设定各单元对应近似解，通过推导计算，获得该域总的满足条件，进而获得问题的求解值。因为许多实际问题不易获得正确的解值，有限元能精确计算在各类复杂图形中均适用，所以该工程分析手段十分有效。通过上述原理，使用有限元分析软件分析中间接轴，模拟其中会出现的安装应力，其中传递扭矩适用中扭转力如何影响中间接轴，研究并分析中间接轴中应力集中点分布，最终获得问题的解决方案。

2 中厚板轧机万向轴接管断裂事故案例

万向轴也被称为万向联轴器，它与各机构的2根轴连接，实现机械零件共同旋转及扭矩传递。联轴器行业构成了通用机械行业不可或缺一部分，其产品应用在行业多个领域，如冶金、工程机械及造船等。2016年3月，某企业轧机法兰断裂，导致生产无法继续进行。万向轴设备使用时间：轧线竣工运行时间为2010年6月，粗轧机下主万向轴一直使用至2015年1月，在此过程中更换电机侧十字节2次，更换工作辊侧十字节8次，中间接轴一直处于使用状态，中间接轴累计使用时间较久。使用工况：竣工试运行结束后，轧制无异常，断裂时段无过载情况，电机并无跳闸。与设计图纸标明的H1040关节的交变疲劳转矩相比，靠近轧辊侧的法兰中间接管扭矩并不小，表明传递扭矩无过载情况出现，其中交变疲劳转矩MDW为4400 kN·m。

3 原因分析

3.1 中厚板轧机中间管机械性能参数校核与断裂分析

从中间接管端面断裂特性及撕裂裂口形状可以看出，法兰面根部出现平齐撕裂的旧裂纹，其中，由法兰延伸至中间接管裂纹顺着轴向夹角45°方向开裂为旧裂纹，其余则是新的撕裂裂纹。原因分析从2方面考虑：一方面，校核中间管的设计强度是否符合要求；另一方面引起中间接管和法兰连接根部产生断裂，是否存在疲劳引起裂纹后扩散所致。

中间接管的整体强度与尖峰负荷校核接管外径86.5 cm相符性，接管壁厚8.5 cm，检测结果接管化学构成组分为42Cr-Mo。所以，可计算扭转强度是否在许用扭转应力范围内，前提条件是电机跳闸保护倍数中尖峰负荷条件下。其中，空心轴扭转应力rmax=T/Wt，r为轴的许用转应力，T为额定工作时主传动轴的扭矩Wt为抗扭截面系数。当中间接管设计符合要求后，实际使用的应力比材料设计应力要小许多，当不具备应力集中条件时，中间接管的设计比较有效。

3.2 中厚板轧机疲劳裂纹扩散分析

有限元法分析疲劳的主要思路（图1）：先进行静或动强度分析，接着进入后处理器，得到有关应力应变结果，然后对载荷事件进行再定义，循环材料特性，结合所需疲劳准则，测算各载荷事件寿命，最终参照累计损伤理论评判是否出现破坏。如，在分析基于ABAQUS（工程模拟有限元软件）实现微电子元器件热疲劳上，结合低周热疲劳分析，先分析模型中单一周次温度循环载荷，分析Direct Cyclic（直接循环）模型。一般单个循环周次的循环应力产生于引脚处。

图1 基于有限元的疲劳仿真分析思路

勘察裂纹断口发现，法兰后端面接管外圆出现挤压迹象，附近出现发黑及生锈的疲劳点，作出比较获知，是螺栓六角头挤压所致（图2）。分析此处结构得到，与螺栓口比较接近处法兰接管外圆直径较大，使得螺栓六角头仅能通过对边借助外圆固定位置安装法兰。通过有限元软件建模，模拟安装中的预紧力力矩及实际工作中传递扭矩形成的力。应用有限元软件分析后发现，破坏位置生成应力集中，应力集中在连接螺栓头部与中间接管挤压中，和主传动轴万向节连接过程中的法兰根部，螺栓六角头部挤压中间接管形成的应力是正常应力值的（2～3）倍，在接管振动过程中应力值将更高，其他两种应力值相对较小。

螺栓挤压螺母拧紧过程中，螺栓的六角头与接管外圆相接而固定，不利施工操作，设计缺陷是连接螺栓会影响中间接管与法兰连接根部倒角，所做倒角不应太大，实际设计达到（0.2～0.3）mm。因此，在拧紧六角螺栓过程中，螺栓六角头部对接管外圆产生挤压作用，挤压由螺栓紧固中螺栓预紧力残留所致，在现实安装中，需要螺栓预紧力符合规格，获得螺栓对中间接管挤压过程中的扭矩。同时因接管长时间振动，挤压位置多出现疲劳积累，传递扭矩时，此位置产生非常严重的应力集中且不断扩散。以中间接管为走向，因为法兰根部断裂影响，此处扭转力需要中间接管的管体分担，致使断裂顺着中间管蔓延，裂纹扩展至一定规模，该处连接不能提供轧机轧制扭矩，导致接轴断裂。

4 改进与预防

由于螺栓六角头部对接管外圆产生挤压作用使得应力集中，在中间接管受挤压位置产生疲劳积累断裂，继而出现中间接轴的断裂，通过改进结构（图3），连接螺栓的外六角头不会触及中间接管的外圆，防止对接管的外圆产生挤压，且避免与中间接管挤压产生应力集中，消除了连接螺栓对法兰外圆挤压的应力，改进设计可相应增加中间接管与法兰连接根部的倒角，提高应力集中点的安全性。改进后的结构普遍应适用于类似轧机传动轴。

5 结语

设计重型机械的传动部件时，应尽量防止产生应力集中结构，如设计中无法消除，使用中需要定期检查应力集中位置，制定合理的更换维修计划，提前消除事故隐患。为避免万向接轴扁头虎口受交变应力作用影响而形成裂纹，注意调整扁头与滑块的配合间隙，使之处于有效受力条件下，避免使用中出现裂纹或疲劳裂纹生成时间过长，继而延长扁头的使用周期。

图2 螺栓挤压图示

图3 改进后结构

［1］唐国军，田乙哲.宽厚板轧机万向接轴裂纹产生的原因分析及对策［C］.河北省冶金学会冶金设备学术年会论文集，2013.

［2］雷传东.中厚板轧机万向轴接管断裂原因分析［J］.天津冶金，2014（S1）：119-122.

［3］毛建国，郑敏.5 m宽厚板轧机国产十字万向轴使用实践［J］.冶金设备，2012（S2）：128-129.