黏胶短纤生产线牵伸轴抗疲劳性方法探究

张华兴

邯郸宏大化纤机械有限公司 技术处(中国)

在黏胶短纤生产线中，牵伸机是主要的设备单元之一。牵伸机位于纺丝机之后和切断机之前，用于将纺丝机送出的连续黏胶丝束按一定牵伸比进行牵伸，然后送入切断机。黏胶丝束经过牵伸后，纤维大分子排列会更加整齐，纤维强度也会相应增加，纤维性能得到改善。依据产能和生产工艺的不同要求，目前应用于黏胶短纤生产线上的牵伸机通常分为8辊(每个箱体4辊)和10辊(每个箱体5辊)两种形式。

由于牵伸机处于高湿高腐蚀的使用环境中，因此要求牵伸机不但要具有很高的结构强度，还应具有很强的抗腐蚀性能。牵伸轴作为牵伸机的主要零件单元，不仅受到很大的交变应力，还承受车间环境带来的腐蚀影响。在有些牵伸机设备使用厂家中，牵伸轴在前端轴承处易出现断裂现象(图1)。为确保生产线的正常运行，杜绝牵伸轴断裂现象的出现，本文通过优化设计和加工工艺的方式，提高牵伸轴的强度和抗腐蚀性能，以达到在满足生产要求的前提下，降低生产成本的目的。

图1 牵伸轴断裂面照片

1 牵伸轴的改进设计方法

1.1 通过增加牵伸轴直径提高安全系数

近年来，随着黏胶短纤单线产能的不断提升，要求牵伸机具有更高的结构强度和使用性能。由于牵伸轴受很大的交变应力，因此要求其具有更高的抗疲劳性能。为达到此目的，最直接的方式是加大牵伸轴轴径。根据牵伸轴的受力状态以及主要失效形式，为了保证牵伸轴在寿命期内的安全性，牵伸轴直径大小需满足静强度和疲劳强度设计要求。其中静强度设计准则为设计最大应力不超过许用应力；疲劳强度设计准则为设计疲劳强度不超过许用疲劳强度。

在黏胶短纤大批量生产线上，为增加丝束与辊面间的握持力，防止丝束在辊面上打滑，普遍采用10辊(每个箱体5辊)牵伸机，如图2所示，丝束缠绕在传动辊上。现以10辊(每个箱体5辊)牵伸机为例，进行静强度和疲劳强度计算并获得牵伸轴最佳直径值。

图2 牵伸辊排布图

根据式(1)计算牵伸机中每一牵伸辊所受的牵引力，其中F1通过基于纤维强度值和丝束总线密度的经验公式获得，经计算为58 800 N。

(1)

式中：Fn——牵伸轴牵引力，N；

n——牵伸辊序列号；

α——包角弧度。

根据式(2)计算各牵伸辊的扭矩，计算过程中取牵伸辊半径为0.3 m。

Tn=(Fn-1-Fn)R

(2)

式中：Tn——扭矩，N·m；

n——牵伸辊序列号，如图所示；

R——牵伸辊半径，m。

根据式(3)计算牵伸轴轴径。

(3)

式中：d——牵伸轴直径，mm；

M——牵伸轴在截面所受的弯矩，N·m；

T——牵伸轴在截面所受的扭矩，N·m，

ψ——修正系数；

[σ-1]——轴的许用弯曲应力，N·mm-2。

经计算得牵伸轴前轴承直径为134 mm。考虑到牵伸轴上有键槽，会产生应力集中从而削弱轴的强度，设计牵伸轴直径选用160 mm。然而，在实践过程中该牵伸轴直径并不能较好地满足生产需求，依然频繁地出现安全事故。经研究分析发现，该牵伸轴直径虽然满足了静强度安全需求，但并未满足变载荷作用下疲劳强度需求，因此需进一步加大牵伸轴直径尺寸。采用170 mm 牵伸轴直径进行疲劳强度计算验证其是否满足安全系数要求。通过式(4)计算牵伸轴的弯矩扭矩组合安全系数。

(4)

式中：Sca——弯扭组合安全系数；

Sσ——只考虑弯矩作用时的安全系数；

Sτ——只考虑扭矩作用时的安全系数。

通过式(5)计算只考虑弯矩作用时的安全系数Sσ。

(5)

式中：σ-1——对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限，MPa；

kσ——弯曲和扭转时的有效应力集中系数；

φσ——弯曲时的尺寸影响系数；

σa——弯曲应力幅，MPa；

σm——平均弯曲应力，MPa。

通过式(6)计算只考虑扭矩作用时的安全系数Sτ。

(6)

式中：τ-1——对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，MPa；

kτ——弯曲和扭转时的有效应力集中系数；

φτ——扭转时的尺寸影响系数；

τa——扭转应力幅，MPa；

τm——平均扭转应力，MPa。

在载荷确定不精确，应力计算较粗略的情况下，许用安全系数一般在1.8～2.5范围内。经计算，当牵伸轴直径采用170 mm时，疲劳安全系数为3.77，完全符合设计要求，既确保了静强度需求同时也确保了疲劳强度需求。

1.2 通过增大轴肩圆角改进牵伸轴

在生产过程中，由于牵伸轴突然断裂，不仅会造成牵伸机及后段设备的暂时停产事故，同时也会对牵伸机本身的其他部件(如接水槽、牵伸辊面等)造成破坏。一般情况下，在轴类的横向孔、轴肩过渡处、圆槽、过盈配合等处存在着应力集中，在应力集中处容易出现疲劳裂纹，尤其是在交变载荷作用下易产生疲劳破坏，缩短轴的使用寿命。牵伸轴轴肩是应力比较集中的位置，也是牵伸轴受弯扭作用时的薄弱位置。实践证明，对牵伸轴及轴肩进行优化设计，能有效解决牵伸轴的断裂问题。因此，在改进工艺中还可通过增加轴肩处过渡圆角的半径减少应力集中，从而防止牵伸轴的疲劳强度降低[1]。同时，应提高过渡圆角处的加工质量，以进一步降低应力集中，从而防止轴疲劳断裂失效。

屠星星等[2]详细描述了各种轴肩过渡曲线的设计方法，如单曲率圆弧、双曲率圆弧、三曲率圆弧、椭圆和流线形等，并对各种曲线进行建模，利用有限元软件Abaqus进行分析。通过对过渡曲线进行论述计算得出，流线型过渡曲线能基本消除应力集中，其应力集中系数仅为1.004。广泛适用于实际工程中的双曲率圆弧、三曲率圆弧和椭圆过渡曲线也能基本消除应力集中，有效防止疲劳破坏，其应力集中系数能降低到1.05以下。

2 牵伸轴的改进工艺方法

2.1 采用“锻造毛坯+调质热处理”工艺方法

为提高牵伸轴强度，解决其疲劳断裂问题，采用“40Cr锻件+调质热处理”的工艺方法加工牵伸轴。40Cr钢是机械制造中使用最广泛的钢种之一，广泛用于制造轴类件、连杆、螺栓、齿轮等[3]。这种钢是以Cr元素为主的典型调质钢，调质后具有良好的综合力学性能和良好的低温冲击韧性，常用于制作交变载荷大的零件，如中等转速的轴和油泵转子等。锻造生产是机械制造工业中提供机械零件毛坯的主要加工方法之一。通常情况下，对受力大和工况要求高的机件，大多采用锻造生产的方式[4]。经过锻造的坯件，一方面能促进再结晶，使原有的晶粒更加细化、组织变得更加紧密，达到提高金属塑性和力学性能的目的；另一方面可消除内部缺陷，产生连贯一致的金相组织，提高机件抗腐蚀性能，延长使用寿命。图3所示为经过锻造加工的牵伸轴胚件。采用锻胚制作的牵伸轴具有良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，经多家客户使用，未再出现牵伸轴断裂问题。

图3 锻造加工的牵伸轴胚件

2.2 提高牵伸轴表面质量

牵伸轴的表面质量对确保机件配合精度、抗腐蚀性、疲劳强度等性能指标有很大的影响，是衡量其加工质量的重要指标之一。提高零件的表面质量不仅能确保其正常的工作性能，同时也能提升其可靠性并延长其使用寿命。疲劳破坏通常从机件表面开始，疲劳裂纹一般在表面质量差的地方产生。牵伸轴在交变载荷作用下，疲劳破坏通常容易发生在表面凹谷处和缺陷处。这些地方更容易引起应力集中，从而导致疲劳裂纹，直至机件疲劳破坏。实践表明，表面粗糙度值越大，表面加工纹理越深，越易产生应力集中，导致机件的抗疲劳性能降低。此外，机件表面越粗糙，微观表面凹谷就越深，越容易积聚腐蚀性物质并从凹谷处渗入金属内层，造成表面腐蚀。因此，减小机件表面粗糙度值可以有效提高机件的耐腐蚀性和抗疲劳性能。

通常情况下，可采用不同处理方法改变表面粗糙度，如调制等热处理方法、渗碳渗氮等化学热处理方法以及喷丸、振动、滚压和抛光等表面硬化处理方法[5]。机件表面硬化加工也可减小粗糙度值，使机件表层呈压应力状态，有助于防止产生微裂纹，提高疲劳强度和抗腐蚀性。随着科学技术的发展和冷作工艺水平的提高，除了传统的零件表面硬化方法之外，新工艺如振动滚压、金刚石熨平和液压机械处理等也得到广泛的应用。这些工艺方法的应用很大程度上提高了零件的表面质量，从而提升了机件的抗疲劳强度和抗腐蚀性。试验证明，表面加工硬化可提高机件的综合性能，但硬化过度则会适得其反。在实际应用中，一般采用复合表面硬化方法，将多种方法综合运用，可达到最佳的表面质量，提高疲劳强度和抗腐蚀性能。

3 结语

随着黏胶短纤产能及纺速的提升，对牵伸机的耐用性提出了更高的要求。通过对牵伸轴进行优化设计、改进材料加工和表面处理等方式，可从根本上解决牵伸轴使用时易断裂的问题。改进后的牵伸轴综合性能更好，运行更稳定安全，深受用户信赖与好评。未来需要紧密跟踪现有牵伸轴的使用状况，进一步优化设计与工艺，为用户提供性能更加优异，运行更加安全的牵伸机设备。