轧机主传动万向接轴的疲劳设计探析
发布时间：2016-04-25王恩光
（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）
【摘 要】在轧机主传动系统中，万向接轴是十分关键的部件，其结构十分复杂，工作过程中需要承受随机冲击转矩。本文对轧机主传动万向接轴的受力特点进行了分析，并对其疲劳设计进行了探析，指出疲劳设计载荷应为轧机冲击扭矩载荷谱，并且，所设计的方法同样可以应用于具有相同载荷特征的机械零件的疲劳设计中。
【关键词】轧机；万向接轴；疲劳设计
轧机万向接轴疲劳强度设计的传统方法中认为，疲劳设计载荷为稳态轧制力矩，实践经验表明，这种处理方法与实际情况有较大出入，因此，这样设计出来的轧机万向接轴常常会出现疲劳破坏的现象。所以，需要对轧机万向接轴的受载特点进行分析，找出科学合理的疲劳设计方法。
1 扭矩载荷谱分析
1.1冲击扭矩载荷谱
轧机主传动万向接轴在工作过程中，受到随机冲击扭矩作用的次数非常高。对这种冲击扭矩产生影响的因素有：主传动系统的动力特性，轧制品的规格以及各项工艺参数等。由此冲击扭矩产生了不同的负荷等级，属于动荷载过程。所谓冲击扭矩的载荷谱，是指在规定的生产周期内，各等级的冲击扭矩以及这些冲击扭矩出现的概率关系谱图。在工程实际中，常常采用直方图来表示冲击扭矩的载荷谱；它较为全面的反映出了轧机主传动承受随机冲击扭矩的负荷特点。在轧机主传动万向接轴的疲劳设计中，疲劳设计载荷应以这种冲击扭矩载荷谱为准[1]。
1.2万向接轴载荷谱的获取方法
对于万向接轴载荷谱的获取来说，目前出现有三种方法：（1）理论分析计算法。这种方法主要应用于新万向接轴的疲劳设计中。首先对万向接轴的稳态负荷进行计算，计算的依据为轧机工艺的相关设计参数；随后建立相应的动力学模型，通过仿真计算出系统的动力放大系数，Z后一步是进行万向接轴载荷谱的编制。（2）主传动系统动力学分析。对于主传动系统来说，其动力学模型的建立需要注意以下几点：首先进行系统的简化，将其简化为集中质量系统，同时将具有较大形变的小质量元件简化为质量为零的弹簧；对于质量和刚度都较大的元件简化成弹性为零的集中质量。随后建立模型的扭转振动微分方程组，对扭矩放大系数进行计算。（3）实验研究法。这种方法在现役轧机万向接轴的疲劳分析中较为常用，其主要步骤为：对随机负荷实施跟踪，编制万向接轴的随机负荷谱。
2 轧机万向接轴的应力谱
采用有限单元法对轧机万向接轴的应力谱进行分析，首先是有限元应力的分析，对万向接轴各零件进行有限元分析，可以得到相应的应力分布以及Z大应力值。与传统的应力计算方法相比，其计算的精度更高。首先给定一个力矩，将其作为输入载荷分析有限元应力，求出万向接轴Z大应力部位所承受的应力值，不仅需要对应力大小进行分析，还要分析其三向应力的状态，用于确定强度准则。另外，还需要考虑到应力的循环状态，得出危险部位的循环应力比，以便选用材料相应的P-S-N曲线[2]。
在轧机万向接轴的设计时，受到使用空间的局限，滑块式或是十字轴式的万向接轴中各组成零件的整体应力会存在分布不均匀的现象。在结构较为薄弱的位置或是应力非常集中的部位会存在较高的应力，实践表明，在这些应力较大的部位发生疲劳破坏的概率较大。因此，在分析应力和疲劳强度，对疲劳破坏事故的原因进行分析以及改进结构的时候，需要重点关注这些部位。在编制应力谱时，研究这些高应力点的应力级别以及出现的概率。
3 疲劳设计
在疲劳设计中，首先需要进行材料P-S-N曲线的绘制，该曲线反映的是应力与疲劳寿命之间的相互关系。在古典的P-S-N曲线理论中有：当应力水平在疲劳极限的应力循环以下时，系统不存在疲劳损伤[3]。而今很多试验表明，当部件上出现有裂纹时，即使应力水平低于疲劳极限的应力循环，裂纹也可能会扩展，从而造成颇老损伤。在载荷谱中，万向接轴低于疲劳极限的应力循环时的比重较高，因此，需要对P-S-N曲线进行修正。当应力小于疲劳极限时，P-S-N曲线中原来的水平线应以斜率为（bp-2）的斜线代替。
在计算万向接轴疲劳寿命时，假设应力循环总次数为N总，在某一应力级别处，应力循环的次数为
轧机万向接轴疲劳强度设计的传统方法中认为，疲劳设计载荷为稳态轧制力矩，实践经验表明，这种处理方法与实际情况有较大出入，因此，这样设计出来的轧机万向接轴常常会出现疲劳破坏的现象。所以，需要对轧机万向接轴的受载特点进行分析，找出科学合理的疲劳设计方法。
1 扭矩载荷谱分析
1.1冲击扭矩载荷谱
轧机主传动万向接轴在工作过程中，受到随机冲击扭矩作用的次数非常高。对这种冲击扭矩产生影响的因素有：主传动系统的动力特性，轧制品的规格以及各项工艺参数等。由此冲击扭矩产生了不同的负荷等级，属于动荷载过程。所谓冲击扭矩的载荷谱，是指在规定的生产周期内，各等级的冲击扭矩以及这些冲击扭矩出现的概率关系谱图。在工程实际中，常常采用直方图来表示冲击扭矩的载荷谱；它较为全面的反映出了轧机主传动承受随机冲击扭矩的负荷特点。在轧机主传动万向接轴的疲劳设计中，疲劳设计载荷应以这种冲击扭矩载荷谱为准[1]。
1.2万向接轴载荷谱的获取方法
对于万向接轴载荷谱的获取来说，目前出现有三种方法：（1）理论分析计算法。这种方法主要应用于新万向接轴的疲劳设计中。首先对万向接轴的稳态负荷进行计算，计算的依据为轧机工艺的相关设计参数；随后建立相应的动力学模型，通过仿真计算出系统的动力放大系数，Z后一步是进行万向接轴载荷谱的编制。（2）主传动系统动力学分析。对于主传动系统来说，其动力学模型的建立需要注意以下几点：首先进行系统的简化，将其简化为集中质量系统，同时将具有较大形变的小质量元件简化为质量为零的弹簧；对于质量和刚度都较大的元件简化成弹性为零的集中质量。随后建立模型的扭转振动微分方程组，对扭矩放大系数进行计算。（3）实验研究法。这种方法在现役轧机万向接轴的疲劳分析中较为常用，其主要步骤为：对随机负荷实施跟踪，编制万向接轴的随机负荷谱。
2 轧机万向接轴的应力谱
采用有限单元法对轧机万向接轴的应力谱进行分析，首先是有限元应力的分析，对万向接轴各零件进行有限元分析，可以得到相应的应力分布以及Z大应力值。与传统的应力计算方法相比，其计算的精度更高。首先给定一个力矩，将其作为输入载荷分析有限元应力，求出万向接轴Z大应力部位所承受的应力值，不仅需要对应力大小进行分析，还要分析其三向应力的状态，用于确定强度准则。另外，还需要考虑到应力的循环状态，得出危险部位的循环应力比，以便选用材料相应的P-S-N曲线[2]。
在轧机万向接轴的设计时，受到使用空间的局限，滑块式或是十字轴式的万向接轴中各组成零件的整体应力会存在分布不均匀的现象。在结构较为薄弱的位置或是应力非常集中的部位会存在较高的应力，实践表明，在这些应力较大的部位发生疲劳破坏的概率较大。因此，在分析应力和疲劳强度，对疲劳破坏事故的原因进行分析以及改进结构的时候，需要重点关注这些部位。在编制应力谱时，研究这些高应力点的应力级别以及出现的概率。
3 疲劳设计
在疲劳设计中，首先需要进行材料P-S-N曲线的绘制，该曲线反映的是应力与疲劳寿命之间的相互关系。在古典的P-S-N曲线理论中有：当应力水平在疲劳极限的应力循环以下时，系统不存在疲劳损伤[3]。而今很多试验表明，当部件上出现有裂纹时，即使应力水平低于疲劳极限的应力循环，裂纹也可能会扩展，从而造成颇老损伤。在载荷谱中，万向接轴低于疲劳极限的应力循环时的比重较高，因此，需要对P-S-N曲线进行修正。当应力小于疲劳极限时，P-S-N曲线中原来的水平线应以斜率为（bp-2）的斜线代替。
在计算万向接轴疲劳寿命时，假设应力循环总次数为N总，在某一应力级别处，应力循环的次数为
其中，表示相应应力级别的概率大小。
为了将疲劳极限的应力循环以下的应力所引起的损伤也包含在内，由修正后的P-S-N曲线查出Ni（Ni表示仅在交变应力作用下的应力循环次数），假设临界损伤和被修正成为常数a时，得到修正后的表达式
为了将疲劳极限的应力循环以下的应力所引起的损伤也包含在内，由修正后的P-S-N曲线查出Ni（Ni表示仅在交变应力作用下的应力循环次数），假设临界损伤和被修正成为常数a时，得到修正后的表达式
在进行万向接轴疲劳设计时，可以将a取为0.8。
4 结语
在本文的分析中，采用冲击扭矩载荷谱为疲劳设计载荷，与传统的疲劳设计载荷相比，这种疲劳设计方法更为科学合理。在预测万向接轴疲劳寿命过程中，包含了疲劳极限的应力循环以下的应力对裂纹扩展所造成的影响；对P-S-N曲线进行修正，并运用修正后的曲线结合累积损伤理论计算疲劳寿命。本文所设计的方法同样可以应用于具有相同载荷特征的机械零件的疲劳设计中。
参考文献：
[1]李友荣，刘安中.平衡力对大型轧机万向接轴应力状态的影响[J].重型机械，2006（5）：32-34.
[2]刘安中，李友荣.可逆式轧机主传动系统疲劳设计载荷分析研究[J].冶金设备，2003（1）：22-25.
[3]刘安中，李友荣.中板轧机主传动万向接轴辊端接头断裂事故分析[J].冶金设备，2002（1）：35-37.35.
4 结语
在本文的分析中，采用冲击扭矩载荷谱为疲劳设计载荷，与传统的疲劳设计载荷相比，这种疲劳设计方法更为科学合理。在预测万向接轴疲劳寿命过程中，包含了疲劳极限的应力循环以下的应力对裂纹扩展所造成的影响；对P-S-N曲线进行修正，并运用修正后的曲线结合累积损伤理论计算疲劳寿命。本文所设计的方法同样可以应用于具有相同载荷特征的机械零件的疲劳设计中。
参考文献：
[1]李友荣，刘安中.平衡力对大型轧机万向接轴应力状态的影响[J].重型机械，2006（5）：32-34.
[2]刘安中，李友荣.可逆式轧机主传动系统疲劳设计载荷分析研究[J].冶金设备，2003（1）：22-25.
[3]刘安中，李友荣.中板轧机主传动万向接轴辊端接头断裂事故分析[J].冶金设备，2002（1）：35-37.35.
来源：《中国科技纵横》2013年第13期