黏膠短纖生產線牽伸軸抗疲勞性方法探究

張華興

邯鄲宏大化纖機械有限公司 技術處(中國)

在黏膠短纖生產線中，牽伸機是主要的設備單元之一。牽伸機位于紡絲機之后和切斷機之前，用于將紡絲機送出的連續黏膠絲束按一定牽伸比進行牽伸，然后送入切斷機。黏膠絲束經過牽伸后，纖維大分子排列會更加整齊，纖維強度也會相應增加，纖維性能得到改善。依據產能和生產工藝的不同要求，目前應用于黏膠短纖生產線上的牽伸機通常分為8輥(每個箱體4輥)和10輥(每個箱體5輥)兩種形式。

由于牽伸機處于高濕高腐蝕的使用環境中，因此要求牽伸機不但要具有很高的結構強度，還應具有很強的抗腐蝕性能。牽伸軸作為牽伸機的主要零件單元，不僅受到很大的交變應力，還承受車間環境帶來的腐蝕影響。在有些牽伸機設備使用廠家中，牽伸軸在前端軸承處易出現斷裂現象(圖1)。為確保生產線的正常運行，杜絕牽伸軸斷裂現象的出現，本文通過優化設計和加工工藝的方式，提高牽伸軸的強度和抗腐蝕性能，以達到在滿足生產要求的前提下，降低生產成本的目的。

圖1 牽伸軸斷裂面照片

1 牽伸軸的改進設計方法

1.1 通過增加牽伸軸直徑提高安全系數

近年來，隨著黏膠短纖單線產能的不斷提升，要求牽伸機具有更高的結構強度和使用性能。由于牽伸軸受很大的交變應力，因此要求其具有更高的抗疲勞性能。為達到此目的，最直接的方式是加大牽伸軸軸徑。根據牽伸軸的受力狀態以及主要失效形式，為了保證牽伸軸在壽命期內的安全性，牽伸軸直徑大小需滿足靜強度和疲勞強度設計要求。其中靜強度設計準則為設計最大應力不超過許用應力；疲勞強度設計準則為設計疲勞強度不超過許用疲勞強度。

在黏膠短纖大批量生產線上，為增加絲束與輥面間的握持力，防止絲束在輥面上打滑，普遍采用10輥(每個箱體5輥)牽伸機，如圖2所示，絲束纏繞在傳動輥上。現以10輥(每個箱體5輥)牽伸機為例，進行靜強度和疲勞強度計算并獲得牽伸軸最佳直徑值。

圖2 牽伸輥排布圖

根據式(1)計算牽伸機中每一牽伸輥所受的牽引力，其中F1通過基于纖維強度值和絲束總線密度的經驗公式獲得，經計算為58 800 N。

(1)

式中：Fn——牽伸軸牽引力，N；

n——牽伸輥序列號；

α——包角弧度。

根據式(2)計算各牽伸輥的扭矩，計算過程中取牽伸輥半徑為0.3 m。

Tn=(Fn-1-Fn)R

(2)

式中：Tn——扭矩，N·m；

n——牽伸輥序列號，如圖所示；

R——牽伸輥半徑，m。

根據式(3)計算牽伸軸軸徑。

(3)

式中：d——牽伸軸直徑，mm；

M——牽伸軸在截面所受的彎矩，N·m；

T——牽伸軸在截面所受的扭矩，N·m，

ψ——修正系數；

[σ-1]——軸的許用彎曲應力，N·mm-2。

經計算得牽伸軸前軸承直徑為134 mm。考慮到牽伸軸上有鍵槽，會產生應力集中從而削弱軸的強度，設計牽伸軸直徑選用160 mm。然而，在實踐過程中該牽伸軸直徑并不能較好地滿足生產需求，依然頻繁地出現安全事故。經研究分析發現，該牽伸軸直徑雖然滿足了靜強度安全需求，但并未滿足變載荷作用下疲勞強度需求，因此需進一步加大牽伸軸直徑尺寸。采用170 mm 牽伸軸直徑進行疲勞強度計算驗證其是否滿足安全系數要求。通過式(4)計算牽伸軸的彎矩扭矩組合安全系數。

(4)

式中：Sca——彎扭組合安全系數；

Sσ——只考慮彎矩作用時的安全系數；

Sτ——只考慮扭矩作用時的安全系數。

通過式(5)計算只考慮彎矩作用時的安全系數Sσ。

(5)

式中：σ-1——對稱循環應力下的材料彎曲疲勞極限，MPa；

kσ——彎曲和扭轉時的有效應力集中系數；

φσ——彎曲時的尺寸影響系數；

σa——彎曲應力幅，MPa；

σm——平均彎曲應力，MPa。

通過式(6)計算只考慮扭矩作用時的安全系數Sτ。

(6)

式中：τ-1——對稱循環應力下的材料扭轉疲勞極限，MPa；

kτ——彎曲和扭轉時的有效應力集中系數；

φτ——扭轉時的尺寸影響系數；

τa——扭轉應力幅，MPa；

τm——平均扭轉應力，MPa。

在載荷確定不精確，應力計算較粗略的情況下，許用安全系數一般在1.8～2.5范圍內。經計算，當牽伸軸直徑采用170 mm時，疲勞安全系數為3.77，完全符合設計要求，既確保了靜強度需求同時也確保了疲勞強度需求。

1.2 通過增大軸肩圓角改進牽伸軸

在生產過程中，由于牽伸軸突然斷裂，不僅會造成牽伸機及后段設備的暫時停產事故，同時也會對牽伸機本身的其他部件(如接水槽、牽伸輥面等)造成破壞。一般情況下，在軸類的橫向孔、軸肩過渡處、圓槽、過盈配合等處存在著應力集中，在應力集中處容易出現疲勞裂紋，尤其是在交變載荷作用下易產生疲勞破壞，縮短軸的使用壽命。牽伸軸軸肩是應力比較集中的位置，也是牽伸軸受彎扭作用時的薄弱位置。實踐證明，對牽伸軸及軸肩進行優化設計，能有效解決牽伸軸的斷裂問題。因此，在改進工藝中還可通過增加軸肩處過渡圓角的半徑減少應力集中，從而防止牽伸軸的疲勞強度降低[1]。同時，應提高過渡圓角處的加工質量，以進一步降低應力集中，從而防止軸疲勞斷裂失效。

屠星星等[2]詳細描述了各種軸肩過渡曲線的設計方法，如單曲率圓弧、雙曲率圓弧、三曲率圓弧、橢圓和流線形等，并對各種曲線進行建模，利用有限元軟件Abaqus進行分析。通過對過渡曲線進行論述計算得出，流線型過渡曲線能基本消除應力集中，其應力集中系數僅為1.004。廣泛適用于實際工程中的雙曲率圓弧、三曲率圓弧和橢圓過渡曲線也能基本消除應力集中，有效防止疲勞破壞，其應力集中系數能降低到1.05以下。

2 牽伸軸的改進工藝方法

2.1 采用“鍛造毛坯+調質熱處理”工藝方法

為提高牽伸軸強度，解決其疲勞斷裂問題，采用“40Cr鍛件+調質熱處理”的工藝方法加工牽伸軸。40Cr鋼是機械制造中使用最廣泛的鋼種之一，廣泛用于制造軸類件、連桿、螺栓、齒輪等[3]。這種鋼是以Cr元素為主的典型調質鋼，調質后具有良好的綜合力學性能和良好的低溫沖擊韌性，常用于制作交變載荷大的零件，如中等轉速的軸和油泵轉子等。鍛造生產是機械制造工業中提供機械零件毛坯的主要加工方法之一。通常情況下，對受力大和工況要求高的機件，大多采用鍛造生產的方式[4]。經過鍛造的坯件，一方面能促進再結晶，使原有的晶粒更加細化、組織變得更加緊密，達到提高金屬塑性和力學性能的目的；另一方面可消除內部缺陷，產生連貫一致的金相組織，提高機件抗腐蝕性能，延長使用壽命。圖3所示為經過鍛造加工的牽伸軸胚件。采用鍛胚制作的牽伸軸具有良好的抗疲勞性能和抗腐蝕性能，經多家客戶使用，未再出現牽伸軸斷裂問題。

圖3 鍛造加工的牽伸軸胚件

2.2 提高牽伸軸表面質量

牽伸軸的表面質量對確保機件配合精度、抗腐蝕性、疲勞強度等性能指標有很大的影響，是衡量其加工質量的重要指標之一。提高零件的表面質量不僅能確保其正常的工作性能，同時也能提升其可靠性并延長其使用壽命。疲勞破壞通常從機件表面開始，疲勞裂紋一般在表面質量差的地方產生。牽伸軸在交變載荷作用下，疲勞破壞通常容易發生在表面凹谷處和缺陷處。這些地方更容易引起應力集中，從而導致疲勞裂紋，直至機件疲勞破壞。實踐表明，表面粗糙度值越大，表面加工紋理越深，越易產生應力集中，導致機件的抗疲勞性能降低。此外，機件表面越粗糙，微觀表面凹谷就越深，越容易積聚腐蝕性物質并從凹谷處滲入金屬內層，造成表面腐蝕。因此，減小機件表面粗糙度值可以有效提高機件的耐腐蝕性和抗疲勞性能。

通常情況下，可采用不同處理方法改變表面粗糙度，如調制等熱處理方法、滲碳滲氮等化學熱處理方法以及噴丸、振動、滾壓和拋光等表面硬化處理方法[5]。機件表面硬化加工也可減小粗糙度值，使機件表層呈壓應力狀態，有助于防止產生微裂紋，提高疲勞強度和抗腐蝕性。隨著科學技術的發展和冷作工藝水平的提高，除了傳統的零件表面硬化方法之外，新工藝如振動滾壓、金剛石熨平和液壓機械處理等也得到廣泛的應用。這些工藝方法的應用很大程度上提高了零件的表面質量，從而提升了機件的抗疲勞強度和抗腐蝕性。試驗證明，表面加工硬化可提高機件的綜合性能，但硬化過度則會適得其反。在實際應用中，一般采用復合表面硬化方法，將多種方法綜合運用，可達到最佳的表面質量，提高疲勞強度和抗腐蝕性能。

3 結語

隨著黏膠短纖產能及紡速的提升，對牽伸機的耐用性提出了更高的要求。通過對牽伸軸進行優化設計、改進材料加工和表面處理等方式，可從根本上解決牽伸軸使用時易斷裂的問題。改進后的牽伸軸綜合性能更好，運行更穩定安全，深受用戶信賴與好評。未來需要緊密跟蹤現有牽伸軸的使用狀況，進一步優化設計與工藝，為用戶提供性能更加優異，運行更加安全的牽伸機設備。