厚板軋機(jī)主傳動(dòng)軸系統(tǒng)力學(xué)行為分析和修復(fù)技術(shù)研究.pdf

1、寶鋼5000mm厚板軋機(jī)是世界上第一架采用十字軸式萬(wàn)向接軸作為主傳動(dòng)軸的厚板軋機(jī)，也是迄今為止國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的軋機(jī)。寶鋼厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、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(yīng)力大、沖擊大、尺寸受空間嚴(yán)格限制等特點(diǎn)。自投產(chǎn)以來(lái)，寶鋼厚板軋機(jī)的主傳動(dòng)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(guò)渡圓角部位斷裂、激光修復(fù)后萬(wàn)向節(jié)叉頭斷裂，嚴(yán)重影響了厚板軋機(jī)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(dòng)軸異常斷裂的問(wèn)題和提高其修復(fù)技術(shù)，有必要對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析。本文將有限元分析技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，探討主傳動(dòng)軸異常斷裂的原因，分析斷裂叉頭的失效機(jī)理。探明失效原因后，有必要開(kāi)展激光修復(fù)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(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得到了主傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和扭矩放大系數(shù)（TAF）；根據(jù)軋機(jī)設(shè)計(jì)原則，結(jié)果表明：厚板軋機(jī)設(shè)計(jì)是合理

3、的；對(duì)厚板軋機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)扭矩進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果的頻譜分析和仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，進(jìn)一步證明了軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。
　　第二,對(duì)經(jīng)常發(fā)生斷裂的主傳動(dòng)系統(tǒng)法蘭圓角和叉頭處進(jìn)行了有限元和工程力學(xué)方法分析。計(jì)算結(jié)果得出，在穩(wěn)態(tài)軋制力矩為4000 kN·m時(shí)，60mm和80mm的法蘭圓角半徑其最大等效應(yīng)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(jiàn)，法蘭過(guò)渡圓角過(guò)小是造成主傳動(dòng)軸法蘭斷裂的根本原因，提出加大過(guò)渡圓角的改進(jìn)建議，應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)后，杜絕了主傳動(dòng)軸法蘭斷裂的設(shè)備事故；還得出叉頭的最大等效應(yīng)力為361.196Mpa，遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力，叉頭應(yīng)屬于疲勞失效斷裂，計(jì)算出叉頭疲勞安全系數(shù)僅為0.303，遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)有載荷條件下疲勞壽命嚴(yán)重不足是叉頭多次斷裂失效的原因，提出了降低軋機(jī)載荷的改進(jìn)措施，避免了新品萬(wàn)向節(jié)叉頭斷裂的設(shè)備事故。
　　第三

5、，對(duì)斷裂的叉頭進(jìn)行失效機(jī)理分析。通過(guò)對(duì)萬(wàn)向節(jié)叉頭進(jìn)行宏微觀(guān)斷口形貌分析、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能測(cè)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(jì)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(bǔ)焊缺陷產(chǎn)生了裂紋源，在周期應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋加速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致叉頭的斷裂。失效機(jī)理分析結(jié)果表明：不恰當(dāng)?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(duì)萬(wàn)向節(jié)的修復(fù)工藝進(jìn)行研究。根據(jù)萬(wàn)向節(jié)叉頭的材料性能、使用工況以及應(yīng)力狀態(tài)等，選擇兩個(gè)不同部位（叉頭和叉頭法蘭處）和兩種不同Ni選擇了進(jìn)行激光熔覆工藝研究，對(duì)表面硬度、殘余應(yīng)力和金相組織檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得出 Ni基粉末 DL2在低殘余應(yīng)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(guò)上機(jī)考核試驗(yàn)，新工藝熔覆的叉頭，到目前其使用壽命已經(jīng)超過(guò)了3個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原先熔覆工藝3周的使用壽命。
　　厚板軋機(jī)主傳動(dòng)軸為大扭矩（最大