轧机万向联轴器十字轴断裂事故分析.pdf

轧机万向联轴器十字轴断裂事故分析.pdf

《轧机万向联轴器十字轴断裂事故分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轧机万向联轴器十字轴断裂事故分析.pdf（3页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

故障诊断2800轧机万向联轴器十字轴断裂事故分析刘安中1,李友荣1,王志刚1,朱瑞荪1,陈建华2,俞智华2,乔栋2,陈燕才2（11武汉科技大学,湖北武汉430081;21武汉钢铁（集团）公司,湖北武汉430081）摘要:

采用综合分析方法,对2800四辊轧机主传动万向联轴器十字轴断裂事故进行了分析,并确定该事故的主要原因是十字轴热处理工艺不当。

关键词:

轧机;十字轴;事故分析中图分类号:

TH13314文献标识码:

B文章编号:

10012196X（2002）0120058202Whatmadethecrossheadofuniversaljointin2800rollingmillrupturedLIUAn2zhong1,LIYou2rong1,WANGZhi2gang1,ZHURui2sun1,CHENJian2hua2,YUZhi2hua2,QIAODong2,CHENYan2cai2（11WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China）（21WuhanIron&Steelco.,Wuhan430081,China）Abstract:

Inthepaperthewritershaveanalyzed,usingmodernsyntheticanalysismethods,therea2sonthatcausedthecrossheadofuniversaljointon2800four2highmillruptured.Theconclusionshowsthattheheat2treatmentmethodforthecrossheadwasnotcorrect.KeyWords:

rollingmill;crosshead;faultanalysis1前言某厂2800四辊轧机经改造重新投产,7个月后主传动万向联轴器十字轴发生断裂事故,十字轴实际使用寿命大大低于设计寿命。

其早期断裂的原因比较复杂,可能产生于设计、加工、运行等整个寿命期间的某些环节。

为准确判明事故原因,彻底消除设备隐患,本文采用综合分析方法,即同时采用机械设备检测分析、三维有限元分析、材料机械性能及金相分析,判明了十字轴过早断裂的原因。

2轧制力矩测试采用电阻应变测试方法对该轧机的轧制力和主传动上、下万向接轴的扭矩M上、M下进行实测。

测试期间轧制了14个品种71块钢坯共423个道次。

图1是典型的上、下万向接轴扭矩M上、M下记录曲线。

测试数据的统计值列于表1。

表1测试数据统计值内容M上?

kNmM下?

kNm峰值稳态值TAF峰值稳态值TAF轧制力?

MN平均值662154101911647511154513114115164最大值115319872172169134311100418214721144标准差19818131180128213131711701234注:

上工作辊直径为878mm,下工作辊直径为883mm。

从图1和表1看出,稳态轧制期间M上M下=01430157,钢坯咬入和抛出时,轧机主传动系统产生强烈扭振,M上、M下都出现较大的峰值,扭矩放大系数TAF（峰值与稳态值之比）较大。

收稿日期:

2001209218作者简介:

刘安中,男,50岁,副教授,武汉科技大学机械自动化学院（430081）2800轧机为可逆式中板轧机,每块钢坯重约6t,平均轧制6个道次,每个道次轧制力矩出现两次峰值,以年产量60万t钢板计,则每年主传动系统受到112106次峰值扭矩作用。

可见影响主传动系统零部件疲劳破坏的主要负荷不是稳态轧制力矩,而是轧件咬入和抛出时产生的峰值扭矩。

下辊的扭矩大于上辊。

下辊峰值扭矩平均值85重型机械2002No11为75111kNm,最大值为134311kNm。

图1上、下万向接轴扭矩记录曲线图3十字轴三维有限元应力分析十字轴直径为200mm。

由于结构及载荷对称（图2）,取其由两个45对称面剖分的1?

4十字轴作为研究对象。

坐标原点取在十字轴三向对称中心上,z轴沿十字轴的轴心线,x轴位于两轴心线所在的平面内,沿十字轴径向共划分为4950个三维实体单元,5722个节点。

图2十字轴简图计算模型的两个45平面（图3中A、B面）及y=0平面均为十字轴结构及负荷的对称面,因此,给定边界条件为:

在两45平面上y=0的各节点x、y、z三向固定;该两平面上其余节点x、z两向固定,y向自由（图3）。

图3十字轴有限元计算模型按滚针轴承承受径向负荷规律1,将计算扭矩转化为一组等效集中力添加到十字轴相应的节点上。

计算载荷取为M=75111kNm。

十字轴最大应力发生在R45圆弧过渡段（受载侧）,该部位的应力状态为三向受拉,应按最大主应力进行强度计算。

图4为承受75111kNm时该部位的最大主应力的等应力线图,最大主应力为288MPa。

图4扭矩为75111kNm时圆弧过渡段最大主应力分布（单位:

MPa）R45圆弧过渡段的非受载侧（与受载侧相对称）的应力状态为三向受压,其最大压应力与受载侧对称部位最大拉应力之比为-0180。

由于2800轧机是可逆式轧机,因此可近似作为受到应力比=-1的对称循环应力来处理。

4十字轴材料力学性能及金相分析411十字轴的材料性能该十字轴材料为34CrNi3Mo,经锻造在调质状态下使用。

当坯料直径为101300mm时,该材料强度为b=855MPa、012=735MPa2。

其对称循环弯曲应力的疲劳极限为-1=0127（b+012）=42913MPa。

这是置信度为50%的平均值,其标准离差为14MPa,因此,按正态分布计算,置信度为99187%的对称循环弯曲应力的疲劳极限为42913-314=387135MPa。

412材料力学性能试验在已断裂的十字轴上切取样坯,按GB2975-82及GB6397-86加工制成标准试件进行拉伸试验,得到了强度极限b=112014MPa012=103610MPa十字轴表面硬度为HRC35153617,心部硬度高达HRC4017。

虽然b及012很高,但抗裂纹扩展能力很低,这是热处理不当所致。

413金相分析对十字轴断口进行金相分析,金相组织（图5）为回火屈氏体及粗大上贝氏体,晶粒粗大,约为6080左右（正常应为30左右）,这是由于（下转第62页）952002No11重型机械算,并考虑到扭振的作用使脉动应力次数增加,万向接轴一年所承受的应力循环次数约达到200万次左右,四年的循环次数将达到800万次左右。

根据文献5提供的资料可知40Gr在毛坯直径小于100mm、光试件、调质处理,硬度为HRC2329条件下其弯曲疲劳极限为350MPa,循环基数为1000万次。

由于实际的万向接轴尺寸较大、形状变化很大、表面质量很不好;另外,万向接轴实际工作应力高于试验应力;综上所述,其实际疲劳寿命将远低于1000万次。

由此可见我们所分析的万向接轴已接近其疲劳寿命,从而造成疲劳裂纹。

（3）疲劳断口的瞬断区所占面积较大而疲劳裂纹扩展区所占面积较小,这是由于扁头根部过渡圆角处始终处于高应力状态下所致6。

由于扁头在工作中始终处于高应力状态,致使裂纹失稳迅速扩展,造成扁头的瞬间断裂。

5结论通过以上分析,导致万向接轴扁头断裂的原因主要是:

在高应力作用下疲劳引起的。

即在万向接轴扁头根部过渡圆孤处由于机加工粗糙和淬火形成断裂源,经长期交变应力作用下,在强烈的扭振和两个传动轴扭矩分配不均产生高应力情况下,其裂纹就会以失稳扩展方式大面积扩展,形成初始裂纹萌生2扩展2断裂的过程。

参考文献1邹家祥等著1治金机械的力学行为M1北京:

科学出版社,199912邹家祥等编著1轧钢机械理论与结构设计M1北京:

冶金工业出版社,199313北京科技大学机械学院、华东冶金学院机械系1消除马钢中板精轧机钢板波浪问题研究技术总结报告1199814邹家祥主编1冶金机械设计理论M1北京:

冶金工业出版社,199815徐灏编著1安全系数和许用应力M1北京:

机械工业出版社,198116钟群鹏等编著1失效分析基础知识M1北京:

机械工业出版社,19901（上接第59页）裂纹,成为十字轴使用过程中的疲劳裂纹源;回火温度偏低,使硬度偏高,样条马氏体没有完全分解,粗大贝氏体仍然保留,抵抗裂纹扩展能力大为降低。

且在处理前,未进行均匀化退火,致使组织不均匀,硬度不均匀。

图5金相组织5结论

（1）2800轧机下辊峰值扭矩平均值为75111kNm,在此载荷下,用三维有限单元法计算,十字轴最大主应力为288MPa,远远小于其材料的对称循环应力疲劳极限38713MPa,且从投产到十字轴断裂,应力循环次数只有6105,因此,轧制力矩不是造成该十字轴过早断裂的主要原因。

（2）热处理不当是造成该十字轴此次过早断裂的主要原因。

（3）该轧机的最大轧制力设计值为45MN,目前轧制力平均值只有15164MN,远未达到设计值。

将来轧制力提高后,主传动系统负荷将进一步加大,应在此基础上重新计算万向联轴器特别是十字轴的承载能力。

参考文献1唐蓉城,陆玉1机械设计（机械类）M1机械工业出版社,199312成大光1机械设计手册（第三版第一卷）M1化学工业出版社,199813徐灏1机械设计手册（第二卷）M1机械工业出版社,1991126重型机械2002No11