基于應變能的工作輥輥頸軸承段多軸疲勞壽命預測方法

摘要：工作輥輥頸軸承段經常因軸承卡死等出現燒傷失效問題，現場通常采用增材制造的方式進行修復，對修復后的輥頸進行壽命預測是現場生產預估工作輥安全服役并進行檢修的關鍵，但目前缺乏針對相關問題的研究。針對上述問題，對四輥軋機工作輥輥頸軸承段進行了應力分析和多軸壽命預測。基于西姆斯（SIMS）模型和影響函數法計算得到了軋制力和輥間應力，在軸承段取矩建立輥頸端力矩平衡方程，建立了輥頸軸承段彎曲應力模型。將變形抗力視為單位體積的塑性變形能，計算得到了變形區的軋制力矩，建立了輥頸軸承段扭轉切應力模型。使用第一強度理論，聯立彎曲應力和扭轉切應力得到了等效應力。選用多軸疲勞模型，在證明模型計算精度的基礎上，對輥頸軸承段進行了疲勞壽命預測，并與實際軋輥在生產線的服役壽命進行了對比。結果表明，該四輥軋機工作輥輥頸軸承段應力計算模型符合實際的輥頸應力狀態，理論模型預測得到的服役壽命與實際服役壽命相比，誤差小于20%，滿足工程實際誤差的要求。

關鍵詞：四輥軋機；工作輥輥頸軸承段；多軸疲勞；壽命預測

中圖分類號：TH12 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 001

0 引言

軋輥是使軋件產生塑性變形的軋制工具［1］，是生產帶鋼產品的四輥、六輥和二十輥軋機的核心部件，其運行狀態不僅直接影響成品帶鋼的質量，更與軋制工序的經濟效益密切相關。

在實際服役生產過程中，工作輥處于輥間接觸應力、軋輥與帶鋼間接觸應力、輸入端的扭轉切應力及機加工帶來的殘余應力等復雜應力的作用下［2］。在正常生產中，更多地關注因接觸應力引起的工作輥接觸疲勞問題，而對于輥頸等部位的服役強度及服役情況關注較少。但實際運行中，由于軸承卡死、輥頸部位燒傷等問題時有發生，現場通常采用激光熔覆等增材修復方式對輥頸部位進行修復，所以如何合理評估和預測修復后工作輥輥頸軸承段的服役強度和壽命對保障現場安全生產具有重要的意義。

軋制生產中，軋輥接觸點的次表面應力場為典型的多軸應力狀態，多軸疲勞破壞是其主要的失效形式［3］。為了預測機械部件在多軸循環加載下的疲勞壽命，各國科研工作者提出了大量的多軸疲勞壽命模型預測方法，主要分為三類：等效應力應變法［4］、能量法［5］和臨界面法［6］。這就需要選用合適的多軸疲勞準則來評估疲勞壽命。其中，臨界面法根據加載過程中裂紋形核和擴展的試驗現象觀察發展而來，有良好的壽命評估能力和明確的物理意義［7］，因此得到了廣泛的應用。

本文結合某生產線四輥軋機的實際情況，以力學理論為基礎，推導了四輥軋機輥頸軸承段的應力計算模型。在此基礎上結合工作輥輥頸軸承段的應力狀態和疲勞理論，選擇臨界面法，基于應變能的多軸疲勞壽命模型建立了四輥軋機工作輥輥頸軸承段的疲勞壽命預測模型，對現場修復后工作輥輥頸軸承段進行了服役壽命預測，保障了現場軋機的服役安全。

1 四輥軋機工作輥輥頸軸承段應力分析

四輥軋機軋制過程具有對稱性，為降低模型的復雜程度，選用1/2模型進行分析［8］。工作輥在輥系中的受力如圖1所示。其中，F （x） 為軋制過程中帶鋼與工作輥之間存在的軋制力，kN；P （x） 為工作輥與支撐輥之間存在的輥間壓力，MPa；Fb 為工作輥受到液壓彎輥施加的彎輥力，kN。通過液壓缸施加工作輥竄輥以更好地控制板形。

應力狀態分析中需要重點關注輥頸服役性能的關鍵應力、應力水平及其循環特性。根據已有對輥系受力的有限元分析結果可知，輥頸部位的受力主要包含扭轉切應力和彎曲引起的拉伸主應力，且切應力水平較低。因此，可根據強度理論，將切應力和彎曲引起的拉伸主應力等效換算為拉伸主應力。對彎曲產生的拉應力進行修正，作為疲勞性能測試和服役安全評估的關鍵應力，然后進行疲勞性能評價。