高速卷板机涂布辊轴失效分析及优化设计

摘 "要：为解决涂布辊轴在高速旋转时阶梯轴连接处断裂的问题，对涂布辊轴进行了可靠性分析，通过理论计算和有限元仿真分析可知，连接处轴截面直径为110mm的最大切应力为304.3～417.4MPa，属于危险载荷。并且该处在4000N压力作用下，应力集中处与最大切应力处相同，两者相互叠加使得涂布辊轴在此处发生断裂。基于上述结果进行了尺寸优化分析，并提出了一种渐变型涂布辊轴结构，分析结果表明，其所受应力均在使用要求范围内。

关键词：涂布辊轴；失效分析；优化设计；有限元仿真

中图分类号：TP391.9 """""""文献标志码：A

Failure analysis and optimization design of coating rollers for highspeed coilers

LI Huirong， ZHANG Haochen， REN Zhao

（Shaanxi Institute of Technology， Xian 710300， Shaanxi， China）

Abstract： In order to solve the problem of fracture at the stepped shaft connection when the coating roller is rotating at high speed， the reliability analysis of the coating roller is carried out. Through theoretical calculations and finite element simulation analysis， the maximum shear stress at the connection where the diameter of the shaft crosssection is 110mm is 304.3-417.4MPa， which belongs to the hazardous load， and through the finite element simulation analysis， the stress concentration at the place where the maximum By finite element simulation analysis， under 4000N pressure， the stress concentration at this place is the same as that at the maximum shear stress， and the two are superimposed on each other， which makes the coating roller fracture here. Therefore， based on the above results， a size optimization analysis was carried out， and a progressive deformation coating roller structure was proposed， and the analysis results show that the stresses are within the range of use requirements.

Key words： coating roller; failure analysis; optimized design; finite element simulation

0 "引 "言

涂层技术的应用领域十分广泛，包括包装印刷、纸张印刷、感光胶片印刷，以及薄膜和铝卷等基材的涂层。亲水铝箔是对铝箔进行亲水涂层处理，使水在铝箔上不形成水珠，其在食品包装、药品包装、电子产品以及空调行业等领域广泛应用［1］。

亲水铝箔涂层机组的开卷机是亲水铝箔的生产装置。涂布辊轴作为关键部件，它承载着涂层材料压力、电动机扭矩、涂布辊轴转动的外部载荷，以确保涂层材料在铝箔上均匀涂覆，实现机组涂层，并最终完成包装、印刷、复合、涂层以及分切成套等一系列机械加工。然而，在使用过程中，由于工作内容繁多、材料强度差、结构方案不合理以及加工工艺落后等多种因素，涂布辊轴可能会出现断裂现象，如图1所示。这导致亲水铝箔涂层机组需要不定时地更换涂布辊轴，提高了成本并降低生产效率。

因此本文针对涂布辊轴断裂现象，通过分析涂布辊轴断口的形貌，并对失效原因进行分析，提出了解决方案，优化涂布辊轴的设计，加强设备的可靠性，并提高生产效率。

1 "涂布辊轴结构及失效原因分析

1.1 "涂布辊轴结构分析

涂布辊轴的零件结构图如图2所示，该零件总体结构为阶梯轴状，由于辊轴长度较长，为避免辊轴质量过大，其内部结构呈空心管状，两端焊接辊轴。在辊轴内部设有减重孔及通气孔。轴的影响因素较多，包括轴在机器中的安装位置和形式，轴上零件的类型和尺寸，轴的加工工艺，载荷的性质、大小、方向和分布状况等多种因素，但在轴的结构设计中，应该满足以下基本要求［2］。

1.2 "断口分析

涂布辊轴原有的辊轴材料是45钢，辊套材料是06Cr18Ni11Ti不锈钢，均为塑性材料［3］。

分析涂布辊轴现有的结构可知：此涂布辊轴的结构呈现阶梯轴状，且发生断裂的部位为直径为110mm和直径为60mm阶梯轴的连接处，针对涂布辊轴断裂现象，做出如下假设：

假设一：因为安装轴承的部位连接的直径为110mm的轴截面直径过小，导致承受载荷的能力小，抗压强度低，所以在此部位发生涂布辊轴的断裂这一现象。可适当增大安装轴承部位连接的轴的直径，观察应力分析数据是否使得其承受载荷能力变强。

假设二：是否由于涂布辊轴截面直径变化较大，截面间的圆弧倒角选择不恰当，出现应力集中导致涂布辊轴出现断裂现象。

假设三：由于涂布辊轴呈现阶梯状，可能由于直径为110mm的轴存在，导致轴的横截面直径差异大，导致应力集中，出现涂布辊轴断裂现象，是否可以改变现有的阶梯状，从而降低应力集中现象。

2 "涂布辊轴可靠性分析

涂布辊轴由电动机驱动的转动为主运动，此外受到铝箔的总共为4000N的线性均布重力载荷作用。因此，本章分别对涂布辊轴进行扭转运动分析和压力载荷分析。

2.1 "扭转运动分析

为计算涂布辊轴所受扭矩，根据涂布辊轴工作情况，计算公式为：

45钢的屈服极限是355MPa，安全系数由设计决定，一般取1.5～1.3。因此45钢许用正应力=355/1.4=253MPa（安全系数取1.4），45钢许用剪应力=146MPa。因此段1、段2、段6、段7均为危险部分。并且段6、段7处于动力侧，距离扭矩载荷输入端较近，两端连接根部载荷畸变较大，导致工件断裂，并且计算结果与图1中工况中断裂位置相同，说明该结构的涂布辊轴在扭矩作用下容易发生失效现象［4-8］。

2.2 "压力载荷分析

除旋转运动以外，涂布辊轴还要承载铝箔材料的压力载荷，因此还要计算材料压力作用下，涂布辊轴所受到的弯矩载荷。但是涂布辊轴截面复杂，直接计算压力载荷工作量大，且效率低下，因此本文作者利用UG NX自适应多网络方法求解在二维和三维空间无结构网格上开发的偏微分方程的灵活数值解，具体步骤如下。

（1） 建模。对原有涂布辊轴进行三维建模，以便于之后的有限元分析。建模造型如图4所示。

（2） 网格划分及材料定义。

运用UG三维软件，单击开始，进入高级仿真模块，单击仿真导航器。新建FEM和仿真和解算方案，如图5，6所示。

（3） 指派材料。为需要有限元分析的零件指派材料，由于原来涂布辊轴的材料是45钢，所以，本次指派材料是45钢，应选择材料库中的“steel”，点击确定，如图7所示。

（4） 划分网格。选取结构适应性强的四面体网格，对涂布辊轴进行划分。点击3D四面体网格，单元大小选择为20，划分结果具体如图8所示。

（5） 施加约束。选择固定约束，涂布辊轴的固定约束为轴承安装面所在的轴面。如图9所示。

（6） 施加载荷。载荷类型为线性均布载荷，取值4000N。

（7） 分析结果。对现有涂布辊轴进行求解运算，结果如图10所示。

放大局部图，如图11所示。

涂布辊轴的应力仿真结果如图11所示。在线性均布载荷的作用下，涂布辊轴的最大应力值为16.8MPa，处于轴承安装面与钢棍轴大端交接过渡位置，如图11所示。分析得出，弯矩应力集中处与扭转作用下最大切应力发生畸变位置一致，同时也是涂布辊轴断裂的位置，是压力载荷加剧了涂布辊轴的断裂破坏程度。

3 "涂布辊轴优化设计

3.1 "结构优化设计分析

为解决现阶段涂布辊轴容易断裂失效的问题，对涂布辊轴的优化方案做了以下3个分析，并加以论证［9-12］。

假设一：由于安装轴承的部位所在直径较小，出现应力集中现象导致涂布辊轴的断裂。所以，在材料为45钢的情况下，改变轴的直径，分别取120，130，140，150mm，并进行有限元分析。

（1） 当轴径增大至120mm，分析结果如图12所示，最大应力值为9.57MPa。

（2） 当轴径增大至130mm，分析结果如图13所示，最大应力值约为9.40MPa。

（3） 当轴径增大至140mm，分析有限元应力图如图14所示，最大应力值为8.17MPa。

（4） 当轴径增大至150mm，分析有限元应力图，结果如图15所示，最大应力值为8.27MPa。

经过有限元分析对比，证明增大轴承部位连接的轴直径可以减少应力集中现象，且当轴径增大至140mm时，减少应力集中现象效果最明显。所以，改进轴径为140mm。

假设二：由于安装轴承的部位的圆弧倒角过大会导致涂布滚的断裂，保持其他因素不变，改变过渡圆弧的倒角半径至10，15，25mm，分别进行有限元分析。

（1） 当圆弧倒角半径缩小至15mm，有限元应力图如图16所示，最大应力值为8.15MPa。

（2） 当圆弧倒角半径缩小至10mm，有限元应力图如图17所示，最大应力值为10.21MPa。

（3） 当圆弧倒角半径扩大至25mm，有限元应力图如图18所示，最大应力值为8.54MPa。

综上所述：在选择最优的轴承安装部位连接轴的直径为140mm时，分别扩大、缩小轴承安装部位的过渡圆角半径由分析结果可知，在过渡圆角半径为15mm时，所受应力的最大值最小，为8.15MPa。有限元分析结果表明，过渡圆弧倒角半径优化后的值为15mm。

假设三：由于涂布辊轴呈现阶梯状，横截面直径差异大，导致应力集中，出现涂布辊轴断裂现象。因此改变截面形状，从阶梯状改为渐变形状，根据有限元分析结果对比，对涂布辊轴的结构进行分析。

（1） 对假设的改进结构进行建模，如图19所示。

（2） 对涂布辊轴改进后的结构进行应力分析，结果如图20所示。

综上所述：通过有限元分析对每个假设的验证，对比分析数据的最大值，对于提出的三种假设，假设三的优化效果更为显著，应力最大可达到6.97MPa，即将涂布辊轴的阶梯状改为锥面状结构后，所产生的应力值最小，所以假设三具有较好的实际优化意义，为此次的优化方案。

3.2 "材料优化设计分析

涂布辊轴选定优化后形状为锥面，由于涂布辊轴长度较长，且辊轴部位质量较大，为减少涂布辊轴自身质量，节约涂布辊轴的材料［13］，选定材料为40Cr，并在涂布辊轴内部加入减重孔，仿真分析结果如图21所示。

（1） 锥面状涂布辊轴的有限元分析结果如图21所示，最大应力值为5.34MPa。

（2） 80mm深度减重涂布辊轴分析结果如图22所示，最大应力值为6.35MPa。

（3） 100mm深度减重涂布辊轴分析结果如图23所示，最大值为5.88MPa。

40Cr的许用弯曲应力为70MPa，取安全系数k=1.5，经过对涂布辊轴优化方案的有限元分析结果对比，其弯曲应力均在许用应力范围内，且对涂布辊轴断裂处的应力值影响较小。增加减重孔的深度可以减少涂布辊轴自身质量，节约了材料，所以确定涂布辊轴内部减重孔的深度为100mm。

通过上述有限元分析，选取优化方案为：改变涂布辊轴的形状为锥面状，加深减重孔的深度至100mm。

由于涂布辊轴外形的变化，此优化方案加长通气孔的长度，方便在平面上钻孔，减小了技术难度［14-16］，具体如图24所示。

4 "总 "结

本文通过分析涂布辊轴断口的形貌，发现断裂的部位为直径为110mm和直径为60mm阶梯轴的连接处。因此，通过理论计算和仿真分析，对其断裂失效原因进行分析，发现阶梯轴连接处是扭转载荷作用下最大切应力值，也是铝箔材料的压力作用下阶梯轴所受到的应力集中处，是造成断裂失效的主要原因。并以此为依据，提出优化假设，对涂布辊轴进行了优化设计，具体工作如下：

（1） 对涂布辊轴各段进行了扭转作用下的最大切应力分析，段6、段7处于动力侧，最大切应力分别为304.3MPa和417.4MPa，大于许用切应力，并且距离扭矩载荷输入端较近，两端连接根部载荷畸变较大，因此导致工件断裂。

（2） 利用UG NX自适应多网络方法在二维和三维仿真分析模块中对涂布辊轴零件进行了仿真分析，在载荷取值4000N条件下，涂布辊轴的最大应力值为16.8MPa，处于轴承安装面与钢棍轴大端交接过渡位置，因此加剧了工件断裂。

（3） 对涂布辊轴进行了优化设计，通过对比轴径、过渡圆角半径等方案，最终确定改变截面形状，从阶梯状改为渐变形状，根据有限元分析对比结果，新结构最大应力为6.97MPa。

（4） 以40Cr为材料，并在涂布辊轴内部加入减重孔，取安全系数k=1.5。经过结果对比，其弯曲应力均在许用应力范围内，且对涂布辊轴断裂处的应力值影响较小，所以涂布辊轴内部减重孔的深度为100mm。

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基金项目：2023年陕西国防工业职业技术学院重点项目（编号：Gfy23-12、Gfy23-08）；陕西省教育厅科研计划项目（编号：22JK0273）；2023年陕西国防工业职业技术学院教学改革重点项目（编号：GFJGZ202303）。

作者简介：李会荣，副教授，主要从事机械设计制造方面的研究。

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 "西安 "710300）