波形護欄板冷彎成型機組傳動軸斷裂失效分析及對策研究

范亮，王江，王文斌，韓建華，李樹強

(1.甘肅路橋新銳交通科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730100；2.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

波形梁鋼護欄板冷彎成型設備主要用于鋼板成型作業，其工況復雜、工作強度大[1]。該設備傳動軸屬于冷彎成型設備的關鍵傳動部件，主要功能是將電機的轉動和力矩傳遞到工作機架的軋輥上[2]。傳動軸的可靠性對波形梁鋼護欄板冷彎成型過程中的安全性至關重要，傳動軸一旦出現斷裂故障，則會造成生產線停機或生產安全事故發生，會給企業帶來巨大的經濟損失。甘肅某公司在生產三波形梁鋼護欄板過程中，冷彎成型設備傳動軸發生斷裂失效，其使用壽命遠低于其設計壽命。

國內外學者對傳動軸的失效進行了大量研究。XIA M等[3]建立了傳動軸的力學模型，解決了結構在交變應力和沖擊載荷下的動態響應問題。張錦光等[4]針對設計傳動軸振型問題，通過Abaqus有限元軟件進行了理論計算，得到了傳動軸振型圖像以及振幅數值。趙穎[5]運用最小二乘估計法對設備運行狀態進行定量分析，并開發了冷彎成型設備故障診斷系統，進行冷彎成型設備運行狀態識別和故障分析。

以上研究主要從三維建模仿真方面對傳動軸斷裂失效進行了分析，忽略了成組設備相互間的影響。針對三波形梁鋼護欄板冷彎成型設備傳動軸斷裂失效故障，本文從成型軋輥道次、成型角度分配以及其受力等多角度對傳動軸受力影響因素進行研究，分析了該傳動軸發生斷裂失效的原因，并提出有效對策，避免再次發生傳動軸斷裂事故。

1 傳動軸斷裂情況

波形梁鋼護欄板冷彎成型機組整體尺寸為12 022×2 313(mm× mm)，總承重30 t，總功率為190 kW，共裝有18道次成型軋輥。第一道次為進料輥，后十七道次為三波形梁鋼護欄板成型道次。在實際生產作業中，傳動軸發生斷裂失效的部位位于軸頸與軸臺階過渡圓角根部位置，如圖1所示。該傳動軸系外圓直徑為65 mm，所用材料為45鋼，整體調質處理。

圖1 傳動軸失效斷裂位置圖

2 傳動軸斷裂原因分析

傳動軸斷裂的因素很多，包括本身的因素，即傳動軸設計所受的局限性以及設計的不合理都會導致傳動軸斷裂；外部因素包括冷彎成型設備工作輥和支撐輥的設計以及是否過載、成型軋輥道次、成型角度分配等。因此本文對傳動軸斷口、軋輥工作時的狀態、成型軋輥道次和成型角度分配進行分析。

2.1 宏觀斷口分析

冷彎成型設備傳動軸的左側斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可以看出，傳動軸斷裂部位位于φ60 mm與φ65 mm軸臺階過渡圓角根部，傳動軸斷口呈扭轉塑性變形。傳動軸斷口根據表面特征不同分為兩個區域，斷口1#區和斷口2#區。1#區為瞬斷區，位于斷口中心且粗糙，呈亮灰色凸起；2#區呈星形狀沿扭轉變形方向發生變形。整個斷口為典型的扭斷斷口，說明斷口的應力過大，判斷失效是由于應力過載造成。

圖2 傳動軸斷口宏觀圖

2.2 成型軋輥道次分析

成型道次的多少直接影響著機組設備的使用性能和產品質量。小奈弘[1]根據板料成型各種斷面形狀和成型道次數的關系，提出了對稱斷面成型道次數確定方法和非對稱斷面成型道次數確定方法，并建立了成型道次數與形狀因子函數的曲線。

該企業生產的三波形梁鋼護欄板斷面圖如圖3所示，屬于對稱斷面圖。根據文獻[1]的對稱斷面成型道次數確定方法和對稱斷面的形狀因子函數曲線圖，為分析冷彎成型道次數合理性提供了參考依據。對稱斷面的形狀因子與成型道次圖如圖4所示。

圖3 三波形梁鋼護欄板斷面圖

圖4 對稱斷面的形狀因子與成型道次

對稱斷面的形狀因子函數φ1為

φ1=F·n·t

(1)

式中：F為立邊長度，mm；n為成型彎角數量；t為板胚厚度，mm。

在計算立邊長度時，不考慮不參與變形的腹板寬度。由公式(1)、三波形梁鋼護欄板截面形狀和圖5可知，波形梁鋼護欄板成型道次數N=18，與實際設備成型道次數吻合。故成型軋輥道次設計合理，不會造成傳動軸斷裂。

2.3 彎曲角度分配分析

彎曲角度的分配是否合理對產品質量好壞和設備平穩運行有直接的影響。因此彎曲角度的分配一定要符合彎曲角度大小的分配總規律[6]。對三波形梁鋼護欄板成型過程中各彎曲角以及彎曲邊進行如圖5所示的定義。三波形梁鋼護欄板冷彎成型工藝中，為實現胚料鋼板咬入成型道次，在冷彎生產線頭部設置一個夾送道次，通過夾送輥推動胚料鋼板順利咬入成型道次軋輥輥縫，之后每一道次彎曲角度逐漸增大。

圖5 各彎曲邊及彎曲角定義示意圖

根據文獻[1]提出的彎曲角度分配方案，結合三波形梁鋼護欄板斷面形狀，采用對稱截面的彎曲角度分配公式：

(2)

式中：θo為斷面的最終成型角度，(°)；i為成型道次，取i=1,2,…,18；θi為每道次的成型角度，(°)。

三波形梁鋼護欄板冷彎成型總道次為18，并且為等間距成型，可得到θi=0°、8°、18°、…、80°(i=1,2,…,18)。成型角度分配如表1所示。根據生產現場實踐經驗，對于冷彎成型機組，前三道會采用閉孔式，彎曲角不超過20°，所以設計的彎曲角度符合要求。

表1 冷彎成型各道次與成型角度分配

2.4 冷彎成型過程有限元模擬及分析

1)有限元模型建立

使用三維軟件建立板料和上下軋輥三維圖模型。根據國家標準[7]，三波形梁板采用750 mm寬的薄型鋼板連續滾壓成型，其尺寸規格為4 320 mm×506 mm×85 mm×4 mm。上下輥尺寸為245 mm、機架間距為750 mm，第一機架為導入輥，沒有孔型。在模擬過程中選取第二機架作為實際軋制機架，其軋輥工作轉速為35 r/min。根據實際工作情況，上輥和下輥為工作輥。工作輥以恒定的轉速旋轉，板料以一定恒定的初速度向輥縫運動，進入輥縫后，靠摩擦力帶動板料運動，完成彎曲變形過程。

2)模擬及分析

考慮到多道次冷彎成型計算規模大且為薄板軋制，并且傳動軸斷裂部位位于機組前幾道次，故對第二道次進行模擬分析，按有限元模型進行計算，計算條件如表2所示。軋輥采用剛性輥，軋輥和板料采用SOLID164單元劃分網格，網格尺寸為10×10。板料成型有限元模擬過程如圖6所示。

表2 冷彎成型過程模擬計算參數

圖6 板料冷彎成型過程有限元模擬

通過對板料成型有限元模擬過程進行分析可以得出：在模擬過程中，板料以一定恒定的速度向輥縫運動，板料成形狀態穩定，沒有出現邊波以及翹邊等現象，與實際變形規律相符。

圖7為板料有限元模型在各階段成形的等效應力圖。從圖中可以看出，板料從初始進入到退出這個過程中，板料所受的最大應力均出現在板料與軋輥接觸的彎角處，其各階段的最大應力分別為114.9 MPa、141.1 MPa和140.6 MPa；板料在不同階段受力變化呈現為先增大后趨于平穩趨勢；與板料的屈服強度作對比發現，各階段所受的最大應力小于額定屈服強度。因此板料與軋輥傳動軸在工作中都不會出現斷裂失效現象，設計合理。

圖7 板料成形等效應力圖

根據得到的板料成形過程應力數據，處理得到的應力-位移曲線圖如圖8所示。由圖7和圖8可以看出，整個過程應力最大處位于自由變形區，最大的Von Mises等效應力為141.1 MPa，出現在自由變形區板料與工作輥彎曲接觸區域。

圖8 應力-位移曲線圖

根據軋機的電機額定功率P為110 kW，電機的額定轉速n為1 000 r/min，得出傳動軸的額定轉矩T為

軋輥傳動軸的材料為45鋼，通過查閱手冊[8]得到傳動軸材料的屈服極限為345 MPa，最大抗拉強度為740 MPa。根據分析可知，板料成型過程中的Von Mises等效應力遠小于傳動軸的額定轉矩和傳動軸材料的屈服極限345 MPa，滿足第四強度要求條件，傳動軸的材料選取和設計是符合實際要求的，不會造成傳動軸斷裂失效。

3 結果分析

通過研究分析，發現成型軋輥道次設計和成型角度分配合理，符合設計要求和實際運用；冷彎成型過程中板料和傳動軸所受最大應力均在設計的安全范圍之內，能滿足生產的需要；在正常的運行情況下，都不會造成傳動軸突然斷裂。傳動軸突然斷裂是由于應力過載造成的。在傳輸過程中，因為板料較薄可能粘著在一起，兩塊板料直接進入導向輥，導致后道次傳動軸轉矩迅速升高，從而造成了傳動軸的突然斷裂。在實際生產過程中也驗證了導致傳動軸突然斷裂的主要原因是兩塊板料粘附在一起同時進入輥縫，導致應力增大超過了額定值。

4 改進措施與效果

為防止三波形梁鋼護欄板冷彎成型設備傳動軸斷裂故障，應避免過載和應力過大，為三波形梁鋼護欄板冷彎成型設備提出了一套解決方案：在傳動軸上布置轉矩傳感器，利用無線傳輸技術動態獲取傳動軸的實時轉矩信息；采用信號處理技術，在上位機上及時對機組運行趨勢做出預測。當傳動軸的實際轉矩超過額定轉矩時，報警并停機檢查，防止機組傳動軸發生損壞，減少了非正常停機次數。

隨著狀態監測系統的實施，三波形梁鋼護欄板冷彎成型設備的故障發生率大幅度降低，異常停機次數減少91%，日均產量提升9.6%，生產效率大幅提高，維修成本降低，經濟效益明顯提升。

5 結語

1)針對傳動軸的斷裂失效，構建了冷彎成型過程有限元模型，對傳動軸宏觀斷口、成型軋輥道次、成型角度分配以及冷彎成型過程進行了有限元模擬研究分析。研究表明，成型軋輥道次設計合理、成型角度分配合理、板料與軋輥傳動軸受力合理。

2)從宏觀斷口形貌檢查發現傳動軸的斷裂失效位置集中于直徑為φ60 mm與φ65 mm軸臺階過渡圓角根部，此處不僅承受最大剪切力，還存在應力集中，在強轉矩作用下突然斷裂。驗證了波形梁鋼護欄板冷彎成型機組傳動軸斷裂屬于應力過載失效。

3)提出了一套完整的解決方案。設計了一套狀態監測系統，在傳動軸上合理布置了轉矩傳感器，實時獲取與顯示傳動軸的轉矩，在轉矩超過臨界值時提前預警并停機檢查。通過生產實踐證明，發現此方案能夠降低故障發生率，經濟效益明顯提升。