寬厚板軋機萬向接軸裂紋產生的原因分析與對策研究

摘 要：在使用寬厚板軋機萬向接軸輥端的時候，一旦出現了使用不當的情況，就會產生較強的交變應力，對其萬向接軸造成較強的舒適沖擊力，進而導致產生裂紋。為此本文主要的針對這一現象的產生進行了詳細的分析，對其虎口位置的受力進行狀態的分析，得出只有對其間隙進行合理的控制，并保障在操作的過程中符合科學合理性，便可以很好的控制住裂紋的產生，進而提升寬厚板軋機萬向接軸的質量性。

關鍵詞：寬厚板軋機;萬向接軸;裂紋;虎口端

前言：在進行板帶鋼的軋制過程中，在萬向接軸的輥端處，一般情況下會在扁頭一側的虎口處，一旦在軋制的過程中出現了較大的交變應力， 就會出現明顯的裂紋，這樣的裂紋會在生產的過程中在受到了嚴重的瞬時沖擊的過程中發生斷裂，進而嚴重影響了寬厚板軋機的運轉。為此需要對其傳動處進行配合間隙的合理調整，這樣就會大大的降低在虎口處發生的裂紋現象。同時在使用的過程中，還由于該處受到了嚴重的交變應力或者瞬時的沖擊力的影響，而產生明顯的裂紋。

1?? 有限元分析

有限元方法，是一種以求偏微分方程邊值問題的一種近似解的數值技術，在使用的過程中能夠讓誤差函數達到最小值，并得出穩定的求解數據。該分析方法，近似于對多段微小之間進行連接，進而逐漸逼近圓形的理念，在有限元的方法中，能夠包含著各種可能性，因此在使用該方法的時候，需要將各種被設定為有限元的區域，利用簡單的方程式進行連接，使得其對更大的區域進行簡單方程式的聯系，這樣便可以對更加復雜的工程進行求解和分析。由于對于各種復雜工程而言，無法準確的求解出相應的數據，為此使用有限元方法之后，可以應對各種復雜的形狀，使得其成為工程分析的重要手段之一。本文的研究便使用這種方式，對其萬向軸進行詳細的分析，并模擬其中產生的應力，從而提出相應的可行方案。

2?? 裂紋產生的主要原因

在過去的研究當中，無論是在扭振沖擊所導致的斷裂分析，以及對萬向接軸查收訥航的斷裂進行金相的分析，都沒有對其扁頭在使用過程中的狀態進行詳細的分析，為此本文從這方面著手，研究其扁頭在運行中的實際情況。

2.1???? 受力條件分析

在運行的過程中，其產生的扭矩，主要是從主電機在向工作輥的傳遞當中，由連接軸進行扭矩的傳遞。其中主電機的實際輸出扭矩為：

在該公式當中，N 表示為主電機的實際功率，單位為 KW。n 則表示為傳動軸的實際轉速。在連接軸處進行扭矩的傳遞的過程中，主要是以力偶矩的方式進行傳遞。也就是說，在連接軸的兩端處，產生的力偶矩相同，但是在方向上相反，因此可以反映出，在聯接軸的某一個截面力處，存在的實際內力偶矩的大小。

在計算當中，可以得出相應的公式，并對其進行詳細分析，從而得知在扭矩的作用下，使得園在邊緣處位置，會讓剪應力呈現最大的數值。

同時，因為采用的4200mm 的軋機，是一種單機架的可逆式四輥軋機， 為此在不同的軋制道次方面，其呈現的軋輥轉動方式是不相同的，而在兩個臨近的道次上，存在的軋輥轉動方向相反的現象，這就使得聯接軸會在進行扭矩的傳遞過程中，始終在交變狀態下，因此會受到交變應力的影響。雖然說產生的最大應力會小于屈服的極限值，但是經過長期的使用， 會隨著時間的推移出現疲勞裂紋，這些裂紋在產生會后逐漸向萬向軸的內部進行延伸，進而形成微觀下的裂紋。當這些裂紋延伸到一定的程度之后，即使在使用中受到了較小的沖擊力，也會發生脆性斷裂。

2.2???? 扁頭受力狀態

在扁頭處，在正常的受力狀態下，會使得當萬向滑塊在力偶矩的作用下，可以很明顯的進行分析。在實際的傳遞扭矩的過程中，由于存在著配合間隙，因此使得萬向滑塊以及扁頭之間，存在著一定的傾斜角。

2.3???? 扁頭存在的問題

由于在進行扁頭加工時條件的限制，使得扁頭會在加工的過程中，通常情況下使用全鍛件，為此在實際的鍛造過程中，會存在著一定的變形滲透的問題，也就是說，在使用扁頭進行實際的鍛造過程中，所發生的變形無法形成完全的滲透，這樣就會導致在鍛件的內部，由于組織不均勻的問題，最終導致鍛造應力的出現，或者在內部的晶粒粗大，形成了嚴重的缺陷，為此大大降低了扁頭虎口處的強韌性。同時，在使用扁頭進行鍛造的過程中，需要使用一定的機械進行加工，同時在加工的過程中還會由于使用的道具與工件之間存在著一定的切削力，進而導致機加應力的出現。為此在運行的過程中，一旦扁頭虎口處，在十分復雜的應力狀態下，就會導致其存在一定的殘余應力。這樣的應力，會導致扁頭虎口位置較為容易的產生敏感的狀態，使得在這一部分當中，很容易長期受到應變力作用，而導致裂紋的出現，出現的交變應力，會小于理論設計當中的允應力值。

在日常的使用過程中，為了盡可能的保障扁頭的實際受力情況不發生改變，就需要保證在2.5以內，一旦大于，就會使扁頭的受力情況發生明顯的改變。

3.4疲勞裂紋擴散分析

在對出現的裂紋斷口處進行詳細的分析過程中，能夠明確的發現，其在靠近法蘭的后端面位置上，在諸多的螺栓孔下方，接管外圈上存在著一定的被擠壓的現象，并在被擠壓的位置發現一些生銹的疲勞點，由此可以說明，是螺栓的六角頭擠壓而成。

為了更好的對該處的實際情況進行分析，就需要使用有限元分析法進行建模分析，首先需要對現場的施工按期進行模擬，從而還原預緊力所造成的的實際力矩，進而保障在實際的工作過程中，所產生的傳遞扭矩力相同。之后在使用有限元進行分析之后，可以很明顯的發現，在破壞處存在著應力的集中。在連接螺栓的頭部位置，會與中間接管由于相互的擠壓，而產生一定的應力，這種結構設計，會使得螺栓的實際預緊力發生殘留，進而導致螺栓擠壓法蘭的外圈，進而造成應力的集中，使得在這個部位發生的應力，是正常狀態下的2-4倍以上，進而造成了接管處的振動頻率升高。

4采取的相應對策

首先依據上文的描述，為了防止在扁頭的虎口處，由于長時間的使用，而出現的疲勞裂紋，甚至發生的斷裂，就需要在使用的過程中，對扁頭進行合理化的使用，能夠定期的對其扁頭進行維護，做到在扁頭和插頭當中的十字方軸以及滑塊之間，對存在的間隙進行定期的測量，之后將間隙發生的變化，以及軋出量和軋制的實際時間存在著相關量進行詳細的統計，進而才可以做出相應的合理使用分析圖。

之后還需要結合起交變應力的特征，進而在軸尺寸發生變化的位置， 也就是應力較為集中的區域，進行相關處理，保障在增大的實際尺寸位置上，存在的過度圓弧半徑，能夠滿足有效的應力集中系數，遠低于理論當中的應力集中敏感程度，進而提升有限的安全系數值。

并且保障在使用扁頭的過程中，一直將其使用的過程保持在熱處理的過程中，進而可以提升虎口處的晶粒質量性，使其可以有著較高的均勻程度，以此來消除鍛造應力以及機加應力。

在使用的過程中，為了進一步降低裂紋的出現，還需在叉頭內部的十字方軸、滑塊以及扁頭處的間隙進行合理的配合，進而把裂紋出現的可能性降到最低。

總結：綜上所述，在使用的過程中，為了更好的避免萬向接軸處的扁頭虎口，始終處于交變應力的作用之下，進而產生明顯的裂紋，就需要合理把控住配合間隙，進而使得結構在合理的受力作用下，從而延長疲勞裂紋產生的時間，提升設備的使用壽命。

參考文獻：

[1] 徐澤璐. 中厚板粗軋機接軸平衡方式對接軸強度影響的有限元分析[D].內蒙古科技大學，2018.

作者簡介：

陳光生（1986-），男，漢族，江蘇邳州人，本科，研究方向：冶金機械.