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宽厚板轧机万向接轴裂纹产生的原因分析与对策研究

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摘要：在使用宽厚板轧机万向接轴辊端的时候，一旦出现了使用不当的情况，就会产生较强的交变应力，对其万向接轴造成较强的舒适冲击力，进而导致产生裂纹。为此本文主要的针对这一现象的产生进行了详细的分析，对其虎口位置的受力进行状态的分析，得出只有对其间隙进行合理的控制，并保障在操作的过程中符合科学合理性，便可以很好的控制住裂纹的产生，进而提升宽厚板轧机万向接轴的质量性。

关键词：宽厚板轧机;万向接轴;裂纹;虎口端

前言：在进行板带钢的轧制过程中，在万向接轴的辊端处，一般情况下会在扁头一侧的虎口处，一旦在轧制的过程中出现了较大的交变应力，就会出现明显的裂纹，这样的裂纹会在生产的过程中在受到了严重的瞬时冲击的过程中发生断裂，进而严重影响了宽厚板轧机的运转。为此需要对其传动处进行配合间隙的合理调整，这样就会大大的降低在虎口处发生的裂纹现象。同时在使用的过程中，还由于该处受到了严重的交变应力或者瞬时的冲击力的影响，而产生明显的裂纹。

1?? 有限元分析

有限元方法，是一种以求偏微分方程边值问题的一种近似解的数值技术，在使用的过程中能够让误差函数达到最小值，并得出稳定的求解数据。该分析方法，近似于对多段微小之间进行连接，进而逐渐逼近圆形的理念，在有限元的方法中，能够包含着各种可能性，因此在使用该方法的时候，需要将各种被设定为有限元的区域，利用简单的方程式进行连接，使得其对更大的区域进行简单方程式的联系，这样便可以对更加复杂的工程进行求解和分析。由于对于各种复杂工程而言，無法准确的求解出相应的数据，为此使用有限元方法之后，可以应对各种复杂的形状，使得其成为工程分析的重要手段之一。本文的研究便使用这种方式，对其万向轴进行详细的分析，并模拟其中产生的应力，从而提出相应的可行方案。

2?? 裂纹产生的主要原因

在过去的研究当中，无论是在扭振冲击所导致的断裂分析，以及对万向接轴查收讷航的断裂进行金相的分析，都没有对其扁头在使用过程中的状态进行详细的分析，为此本文从这方面着手，研究其扁头在运行中的实际情况。

2.1???? 受力条件分析

在运行的过程中，其产生的扭矩，主要是从主电机在向工作辊的传递当中，由连接轴进行扭矩的传递。其中主电机的实际输出扭矩为：

在该公式当中，N 表示为主电机的实际功率，单位为 KW。n 则表示为传动轴的实际转速。在连接轴处进行扭矩的传递的过程中，主要是以力偶矩的方式进行传递。也就是说，在连接轴的两端处，产生的力偶矩相同，但是在方向上相反，因此可以反映出，在联接轴的某一个截面力处，存在的实际内力偶矩的大小。

在计算当中，可以得出相应的公式，并对其进行详细分析，从而得知在扭矩的作用下，使得园在边缘处位置，会让剪应力呈现最大的数值。

同时，因为采用的4200mm 的轧机，是一种单机架的可逆式四辊轧机，为此在不同的轧制道次方面，其呈现的轧辊转动方式是不相同的，而在两个临近的道次上，存在的轧辊转动方向相反的现象，这就使得联接轴会在进行扭矩的传递过程中，始终在交变状态下，因此会受到交变应力的影响。虽然说产生的最大应力会小于屈服的极限值，但是经过长期的使用，会随着时间的推移出现疲劳裂纹，这些裂纹在产生会后逐渐向万向轴的内部进行延伸，进而形成微观下的裂纹。当这些裂纹延伸到一定的程度之后，即使在使用中受到了较小的冲击力，也会发生脆性断裂。

2.2???? 扁头受力状态

在扁头处，在正常的受力状态下，会使得当万向滑块在力偶矩的作用下，可以很明显的进行分析。在实际的传递扭矩的过程中，由于存在着配合间隙，因此使得万向滑块以及扁头之间，存在着一定的倾斜角。

2.3???? 扁头存在的问题

由于在进行扁头加工时条件的限制，使得扁头会在加工的过程中，通常情况下使用全锻件，为此在实际的锻造过程中，会存在着一定的变形渗透的问题，也就是说，在使用扁头进行实际的锻造过程中，所发生的变形无法形成完全的渗透，这样就会导致在锻件的内部，由于组织不均匀的问题，最终导致锻造应力的出现，或者在内部的晶粒粗大，形成了严重的缺陷，为此大大降低了扁头虎口处的强韧性。同时，在使用扁头进行锻造的过程中，需要使用一定的机械进行加工，同时在加工的过程中还会由于使用的道具与工件之间存在着一定的切削力，进而导致机加应力的出现。为此在运行的过程中，一旦扁头虎口处，在十分复杂的应力状态下，就会导致其存在一定的残余应力。这样的应力，会导致扁头虎口位置较为容易的产生敏感的状态，使得在这一部分当中，很容易长期受到应变力作用，而导致裂纹的出现，出现的交变应力，会小于理论设计当中的允应力值。

在日常的使用过程中，为了尽可能的保障扁头的实际受力情况不发生改变，就需要保证在2.5以内，一旦大于，就会使扁头的受力情况发生明显的改变。

3.4疲劳裂纹扩散分析

在对出现的裂纹断口处进行详细的分析过程中，能够明确的发现，其在靠近法兰的后端面位置上，在诸多的螺栓孔下方，接管外圈上存在着一定的被挤压的现象，并在被挤压的位置发现一些生锈的疲劳点，由此可以说明，是螺栓的六角头挤压而成。

为了更好的对该处的实际情况进行分析，就需要使用有限元分析法进行建模分析，首先需要对现场的施工按期进行模拟，从而还原预紧力所造成的的实际力矩，进而保障在实际的工作过程中，所产生的传递扭矩力相同。之后在使用有限元进行分析之后，可以很明显的发现，在破坏处存在着应力的集中。在连接螺栓的头部位置，会与中间接管由于相互的挤压，而产生一定的应力，这种结构设计，会使得螺栓的实际预紧力发生残留，进而导致螺栓挤压法兰的外圈，进而造成应力的集中，使得在这个部位发生的应力，是正常状态下的2-4倍以上，进而造成了接管处的振动频率升高。

4采取的相应对策

首先依据上文的描述，为了防止在扁头的虎口处，由于长时间的使用，而出现的疲劳裂纹，甚至发生的断裂，就需要在使用的过程中，对扁头进行合理化的使用，能够定期的对其扁头进行维护，做到在扁头和插头当中的十字方轴以及滑块之间，对存在的间隙进行定期的测量，之后将间隙发生的变化，以及轧出量和轧制的实际时间存在着相关量进行详细的统计，进而才可以做出相应的合理使用分析图。

之后还需要结合起交变应力的特征，进而在轴尺寸发生变化的位置，也就是应力较为集中的区域，进行相关处理，保障在增大的实际尺寸位置上，存在的过度圆弧半径，能够满足有效的应力集中系数，远低于理论当中的应力集中敏感程度，进而提升有限的安全系数值。

并且保障在使用扁头的过程中，一直将其使用的过程保持在热处理的过程中，进而可以提升虎口处的晶粒质量性，使其可以有着较高的均匀程度，以此来消除锻造应力以及机加应力。

在使用的过程中，为了进一步降低裂纹的出现，还需在叉头内部的十字方轴、滑块以及扁头处的间隙进行合理的配合，进而把裂纹出现的可能性降到最低。

总结：综上所述，在使用的过程中，为了更好的避免万向接轴处的扁头虎口，始终处于交变应力的作用之下，进而产生明显的裂纹，就需要合理把控住配合间隙，进而使得结构在合理的受力作用下，从而延长疲劳裂纹产生的时间，提升设备的使用寿命。

参考文献：

[1] 徐泽璐. 中厚板粗轧机接轴平衡方式对接轴强度影响的有限元分析[D].内蒙古科技大学，2018.

作者简介：

陈光生（1986-），男，汉族，江苏邳州人，本科，研究方向：冶金机械.

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