厚板軋機主傳動軸系統(tǒng)力學行為分析和修復技術(shù)研究.pdf

1、寶鋼5000mm厚板軋機是世界上第一架采用十字軸式萬向接軸作為主傳動軸的厚板軋機，也是迄今為止國內(nèi)最先進的軋機。寶鋼厚板軋機主傳動系統(tǒng)由電機、減速箱、分配箱、聯(lián)接軸、聯(lián)軸器等組成，其具有傳遞扭矩大、應力大、沖擊大、尺寸受空間嚴格限制等特點。自投產(chǎn)以來，寶鋼厚板軋機的主傳動系統(tǒng)多次發(fā)生斷裂的特大設(shè)備事故。主要失效形式有，法蘭過渡圓角部位斷裂、激光修復后萬向節(jié)叉頭斷裂，嚴重影響了厚板軋機的正常生產(chǎn)，大大增加了設(shè)備檢修和備品備件的成本。

2、>　　為解決厚板主傳動軸異常斷裂的問題和提高其修復技術(shù)，有必要對主傳動系統(tǒng)進行相關(guān)分析。本文將有限元分析技術(shù)和實驗研究相結(jié)合，探討主傳動軸異常斷裂的原因，分析斷裂叉頭的失效機理。探明失效原因后，有必要開展激光修復工藝的研究工作，取得了下列研究成果：
　　第一，建立了厚板軋機主傳動系統(tǒng)的數(shù)學模型。通過MATLAB對數(shù)學模型進行仿真分析，得到了主傳動系統(tǒng)的固有頻率和扭矩放大系數(shù)（TAF）；根據(jù)軋機設(shè)計原則，結(jié)果表明：厚板軋機設(shè)計是合理

3、的；對厚板軋機的現(xiàn)場扭矩進行了測試，測試結(jié)果的頻譜分析和仿真計算結(jié)果基本吻合，驗證了數(shù)學模型的正確性，進一步證明了軋機主傳動系統(tǒng)設(shè)計的合理性。
　　第二,對經(jīng)常發(fā)生斷裂的主傳動系統(tǒng)法蘭圓角和叉頭處進行了有限元和工程力學方法分析。計算結(jié)果得出，在穩(wěn)態(tài)軋制力矩為4000 kN·m時，60mm和80mm的法蘭圓角半徑其最大等效應力值分別為111MPa和101MPa；圓角弧度為2mm、60mm、80mm其安全系數(shù)分別為1.4,、3.131

4、、3.269，由此可見，法蘭過渡圓角過小是造成主傳動軸法蘭斷裂的根本原因，提出加大過渡圓角的改進建議，應用到現(xiàn)場后，杜絕了主傳動軸法蘭斷裂的設(shè)備事故；還得出叉頭的最大等效應力為361.196Mpa，遠低于材料的屈服應力，叉頭應屬于疲勞失效斷裂，計算出叉頭疲勞安全系數(shù)僅為0.303，遠低于其設(shè)計要求，在現(xiàn)有載荷條件下疲勞壽命嚴重不足是叉頭多次斷裂失效的原因，提出了降低軋機載荷的改進措施，避免了新品萬向節(jié)叉頭斷裂的設(shè)備事故。
　　第三

5、，對斷裂的叉頭進行失效機理分析。通過對萬向節(jié)叉頭進行宏微觀斷口形貌分析、化學成分分析、機械性能測試、金相組織分析，得出叉頭的斷裂形式為疲勞斷裂，其疲勞斷裂的主要原因除了叉頭設(shè)計壽命不足外，叉頭軸承孔工作面及次表層的激光熔覆、局部補焊缺陷產(chǎn)生了裂紋源，在周期應力的作用下，疲勞裂紋加速擴展，最終導致叉頭的斷裂。失效機理分析結(jié)果表明：不恰當?shù)募す馊鄹补に囀窃斐杉す馊鄹膊骖^在短期內(nèi)即發(fā)生斷裂失效的根本原因。
　　第四，在失效分析的基礎(chǔ)上，

6、對萬向節(jié)的修復工藝進行研究。根據(jù)萬向節(jié)叉頭的材料性能、使用工況以及應力狀態(tài)等，選擇兩個不同部位（叉頭和叉頭法蘭處）和兩種不同Ni選擇了進行激光熔覆工藝研究，對表面硬度、殘余應力和金相組織檢測結(jié)果進行分析，得出 Ni基粉末 DL2在低殘余應力部位熔覆效果更好，從而得出了適合叉頭的激光熔覆工藝。通過上機考核試驗，新工藝熔覆的叉頭，到目前其使用壽命已經(jīng)超過了3個月，遠遠高于原先熔覆工藝3周的使用壽命。
　　厚板軋機主傳動軸為大扭矩（最大