大型鍛鋼支承輥接觸疲勞機理研究及修磨參數(shù)優(yōu)化.pdf

1、大型鍛鋼支承輥作為軋機設(shè)備中的主要部件，其性能和使用狀態(tài)直接決定著軋鋼生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備穩(wěn)定和生產(chǎn)成本，因而，得到越來越多生產(chǎn)企業(yè)的重視。在四輥或六輥軋機軋制過程中，支承輥與工作輥或中間輥配對使用，用于傳遞軋制力、提高工作輥的彎曲剛度，以控制帶鋼軋制質(zhì)量。支承輥承受的循環(huán)交變接觸應(yīng)力會引起支承輥的表面或次表層接觸疲勞，引發(fā)裂紋萌生和擴展，導(dǎo)致表面退化，加劇支承輥的表面磨損，甚者導(dǎo)致剝落或斷輥失效。實際生產(chǎn)中通過支承輥定期下機修磨，去除

2、輥面或次表層萌生的接觸疲勞裂紋來避免輥面大面積剝落引發(fā)的軋制事故及經(jīng)濟損失，但現(xiàn)有磨削規(guī)程中由于缺乏對支承輥輥面剝落失效機理的研究，以經(jīng)驗為主確定換輥周期和修磨量無法達(dá)到降低輥耗、延長支承輥使用壽命、提高軋制生產(chǎn)效率的目標(biāo)。因此通過系統(tǒng)地研究支承輥接觸疲勞損傷分布及接觸疲勞機理，合理地確定支承輥修磨量具有重要意義。
　　基于接觸問題的有限元理論，采用大型非線性有限元軟件，建立了四輥軋機輥系接觸計算有限元模型，通過與理論結(jié)果對比，驗

3、證了有限元模型的合理性;在此基礎(chǔ)上，以某熱軋帶鋼軋機F1-4機架為研究對象，分析了支承輥輥身中部為直線，邊部倒角為圓弧，工作輥輥型為余弦曲線時，輥徑配對、帶鋼寬度、軋制力、彎輥力及竄輥量等對支承輥表面接觸應(yīng)力的影響，結(jié)果表明:支承輥表面接觸應(yīng)力呈典型的“鞍”形分布;除竄輥以外，輥徑配對、帶鋼寬度、軋制力和彎輥力均對支承輥表面接觸應(yīng)力的大小及分布均勻性有不同程度影響;但上述各因素變化均不影響支承輥表面最大接觸應(yīng)力在輥身的分布位置。

4、　　以彈塑性力學(xué)理論及接觸力學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合極限工況下支承輥表面接觸應(yīng)力分布，對支承輥的彈塑性狀態(tài)進(jìn)行了分析，表明在正常工作狀態(tài)下，表面接觸應(yīng)力循環(huán)一定次數(shù)后，支承輥材料處于彈性安定狀態(tài)。通過對比分析現(xiàn)有研究中用于次表層接觸疲勞損傷評價的八面體剪應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和正交剪應(yīng)力，選擇正交剪應(yīng)力作為支承輥次表層損傷評價的臨界應(yīng)力;結(jié)合材料接觸疲勞壽命和線性疲勞損傷累積理論，建立了支承輥次表層接觸疲勞損傷計算模型，分析了一次使用后的支承輥材料

5、接觸疲勞損傷分布及多次使用并磨削后的支承輥次表層損傷分布形式，并結(jié)合支承輥材料接觸疲勞試驗及現(xiàn)場支承輥解剖塊試驗驗證了次表層接觸疲勞損傷評價模型的合理性。
　　采用微米壓痕儀、X射線衍射儀等手段，對接觸疲勞試驗后的支承輥材料環(huán)試樣在疲勞失效后沿徑向的硬度、X射線衍射半寬值進(jìn)行了測量，在初步明確接觸疲勞引起支承輥材料性能參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)對支承輥材料的接觸疲勞機理進(jìn)行了研

6、究;在此基礎(chǔ)上，采用微米壓痕儀、SEM、TEM等手段對多次使用并磨削后支承輥解剖塊沿徑向的硬度分布及不同深度的組織進(jìn)行了對比分析，探討了對應(yīng)于不同深度不同接觸疲勞損傷程度的支承輥材料微觀組織變化，結(jié)果表明:以板條馬氏體、貝氏體組織為主的支承輥材料在接觸疲勞損傷后發(fā)生了疲勞硬化、材料X射線衍射半寬降低、經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕后疲勞損傷影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)典型的白腐蝕區(qū)等現(xiàn)象;硬度升高和X射線衍射半寬降低的原因在于疲勞失效后支承輥材料中板條馬氏體組織發(fā)

7、生破碎，生成了納米級的亞晶結(jié)構(gòu)，位錯密度的升高和局部納米級碳化物顆粒的析出，而典型白腐蝕區(qū)出現(xiàn)則由較大尺度板條馬氏體組織破碎成納米級亞晶結(jié)構(gòu)后引起的微觀結(jié)構(gòu)邊界增多進(jìn)而引起組織耐腐蝕性增強導(dǎo)致;在一定損傷范圍內(nèi)，不同損傷程度引起的馬氏體組織破碎程度和位錯升高程度不同;損傷越大，馬氏體組織破碎越嚴(yán)重，位錯密度升高越大。
　　在支承輥次表層損傷評價模型及損傷機理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場帶鋼軋制規(guī)格區(qū)間劃分及對應(yīng)軋制載荷，建立了支承輥在換

8、輥周期內(nèi)的接觸疲勞計算形式載荷譜，并結(jié)合現(xiàn)場軋制數(shù)據(jù)記錄驗證了載荷譜的合理性;基于此，以某熱軋帶鋼軋機為對象，對額定換輥噸位下的不同機架支承輥的最優(yōu)修磨量及達(dá)到穩(wěn)態(tài)損傷時的修磨次數(shù)進(jìn)行了計算，同時對同一支支承輥整個壽命周期內(nèi)在同一機架使用情況下，換輥噸位與修磨量間的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:不同機架的最優(yōu)修磨量不同，最大損傷值達(dá)到損傷容限時所需的修磨次數(shù)不同;同一支支承輥整個壽命周期內(nèi)在同一機架使用情況下，支承輥換輥噸位與最優(yōu)修磨量間呈