（机械工程专业论文）1450精轧机组主传动系统故障研究.pdf

重庆学硕士学位论文 abs tract abs tract t h e f a i l u r e o f m a i n d r i v e s y s t e m a n d t h e c r a c k o f u n i v e r s a l j o i n t s h a ft o f 1 4 5 0 ro l l i n g m il l i n p a n g a n g , b r i n g o u t t h e e c o n o m i c l o s t s e r i o u s l y . b a s i n g o n t h e m e a s u r i n g d a t a , t h e a u t h o r a n a ly z e s t h e c a u s e s fr o m m a n y h a n d s : m e c h a n i c a n a l y s i s , t o r s i o n t e s t a n d a n a l y s i s , t h e m a c r o - a n d m i c ro- in s p e c t i o n o f c r a c k s u r f a c e e t c . t h e m a i n r e a s o n s c a u s i n g t h e c r a c k o f u n i v e r s a l 一 o in t s h a ft a r e t h e d e f a u l t s o f d e s i g n o f m a in d r i v e s y s t e m , m a t e r i a l , a n d t o r s i o n a l v i b r a t i o n . t h e a u t h o r p ro p o s e s s o m e c o r r e c t i n g m e a s u r e m e n t s : f i r s t , r e d u c i n g t h e d y n a m i c a l l o a d c o e ff i c i e n t b y d e c r e a s i n g o r e l im in a t in g t h e g a p o f t r a n s m i s s i o n s y s t e m , i m p r o v i n g t h e i n p u t c o n d i t i o n o f r o ll i n g p a r t s , a n d c h a n g i n g t h e e la s t i c j o i n t s ; s e c o n d l y , i m p r o v i n g t h e m a t e r i a l t o u g h n e s s b y d e t e r m i n i n g t h e a p p r o p r i a t e f o r g i n g p l a nn i n g a n d h e a t t r e a t m e n t p l a n i n g o f u n i v e r s a l 一 o i n t s h a ft ; t h i r d ly , a s s u ri n g n o - d e f a u l t o f u s i n g m a t e r i a l b y n o n - d e s t r o y t e s t ; fi n a l l y , s e t t i n g t h e t o r s io n m o n it o ri n g s y s t e m . t h i s r e s e a r c h p r o v i d e s a p e r f e c t a n a l y s i s m e t h o d a b o u t f a i l u r e d i a g n o s e o f m a i n d ri v e s y s t e m o f r o l l i n g m i l l , a t h e o re t i c a l b a s i s a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n e x p e ri e n c e f o r t h e f a i l u r e d i a g n o s e o f s i m i l a r d ri v e s y s t e m . i t i s i m p o rt a n t s i g n i fi c a n c e i n i n d u s t ri a l p r o d u c t i o n w h e n t h e s e m e a s u r e m e n t s a r e a d o p t e d . ke y wo r d : m ai nd r i v e s y s t e m o f ro l l i n g m i l l c r a c k a n a l y s i s 重庆大学硕士学位论文1概述 1 概 述 1 . 1 轧机主传动装置简介p 1 . 2 l 1 . 1 . 1轧机主传动装置组成 轧机主传动装置的作用是将电机的运动和力矩传递给轧辊。对于大多 数轧机来说主传动装置由 减速机、 齿轮座、 联结轴和联轴节等部件组成。 电机的运动和力矩通过电 机联轴节、减速机、主联轴节、齿轮座和联结轴 传递给轧辊。 ( 1 ) 减速机 在车 l im机中， 减速机的作 用是 将电 动机较高的 转速变成 轧辊所需要的转速，这样就可以在主传动装置中选用价格较低的高速电 机。确定是否采用减速机的一个重要条件，就是要比 较及其摩擦损耗的费 用是否小于低速电 机和高速电 机之间的差价。 一般来说，当轧辊转速小于 2 0 0 - 2 5 0 r / m i n时， 才采用减速机;如果轧辊转速大于 200-250r/min时， 则不采用减速机而采用低速电 机较为合适。 ( 2 ) 齿轮座当工作机座的轧辊由一个电 动机带动时， 一般采用齿轮 座将电 动机或减速机传来的 运动 和力 矩分配给二个或三个轧辊。对于二辊 或四辊轧机，齿轮座的布置形式是下齿轮为主动;在型钢轧机中则采用中 间齿轮为主动的形式。 (3) 联结轴 车 速度较高的 小 型 轧机和线材轧机，由 于 要求能 在高 速下平稳 可 靠地运转， 一般采用齿式 接轴或弧面齿形接轴;如果要求的倾角或传递的扭矩较大时，则采用万向 联结轴。 ( 4 ) 联轴节 ( 器) 联轴节包括电 动机联轴节和主联轴节。电 动机联 轴节用来连接电动机与减速机的传动轴，而主联轴节则用来连接减速机与 齿轮座的传动轴。目 前，应用最广泛的联轴节是齿轮联轴节。 1 . 1 .2 轧钢机主传动装置类型 单机座轧钢机主传动装置类型 重庆大学硕士学位论文1概述 单机座轧钢机主传动装置主要有以 下几种:一台电 机驱动轧辊的轧钊 4 机:由两台电动机单独驱动两个轧辊的轧钢机;由一台电动机通过齿轮座 驱动轧辊的轧钢机;由 两台电 动机和一台 减速机驱动两个轧辊的轧钢机; 单辊驱动的二辊轧钢机。 多机座 ( 或多列式) 轧钢机主传动装置类型 多机座 ( 或多列式) 轧钢机一般是不可逆式轧机， 往往采用集体驱动， 由一台电动机减速机和齿轮座传动若干架工作机座的轧辊。多机座 ( 多列 式)轧钡机主传动装置类型有以下几种:在轨梁、型钢和线材轧机以 及二 辊薄板轧机中采用多机座横列式集体驱动的轧钢机;在线材轧机的中轧和 精轧机列中采用双列多 机座集体驱动的 轧钢机;在钢坯、型钢和线材等连 续式轧机中采用单机座多列式集体驱动的连续式轧钢机。 1 .2攀钢1 4 5 0 热精轧 机组主传动系统 攀钢1 4 5 0 热精轧机组是由 六台 精轧机组成， 其中f ， 和f 2 轧机的 主传 动系统是由电机通过主减速器和中间传动轴传动齿轮机座的下人字齿轮 轴，再由 上、下人字齿轮轴传动上、下万向 接轴，由 上、下万向 接轴带动 上、 下工作辊旋转; f 3 , f 4 , f s 和 f 6 的主传动系统是由 主传动电机直接通 过中间 轴传动齿轮机座的下人字齿轮轴，由 上、 下人字齿轮轴通过万向 接 轴带动上、 下工作辊旋转。 f t , f 2 和 f 3 轧机主传动系统的万向接轴为滑块式万向接轴，f 4 , f s 和 f 6 轧机主传动系统的万向 接轴为鼓形齿万向 接轴， 均采用液压平衡， 平衡托瓦为铜瓦。 f 4 , f s 和 f s 的鼓形齿万向 接轴的 轧辊侧端头，装有液 压式卡紧装置， 在换辊时 将鼓形齿头部抱紧，以 免头 部下倾，同时也起到 抽旧辊和装新辊时防止接轴轴向串动的作用。 图1 . 1 , 1 .2 分别为f , , r和f 3 - f 主传动装置简图; 表 1 . 1 一 表 1 .3 为 1 4 5 0 热精轧 机组主传动装置设备的主要技术参数。 、卜 忿戈茗至 图1 . 1 f t , f 2 轧 机主传动装置 简图 一一一. . . . . . . . . . 妇 . . . . . . . . . 重庆大学硕士学位论文l概述 怪 三 王 ， 一二幸红 图1 2 以往轧机主传动系统扭振力学 模型的 建立多数采用集中质量法，而很少利用有限元方法， 特别是建立系 统的整体力学模型。由 于计算机的计算能力提高，对轧机主传动系统扭振 分析用有限元法越来越受到重视。 现在国内 有人尝试了 用有限元法建立轧 机主传动系统整体模 型， 并且成功地分析了 某厂的 2 0 3 0冷连轧机的主传 动 系 统 的 扭 振 特 理14 1, 1151, 116 1 . 目 前， 在车 l 机主传动扭振分析中 越来越重视电气驱动所产生的影响。 对轧机的主传动系统动态响应分析由 从前孤立地分析机械系统发展到结合 电 气 参 数 系 统 地 分 析 机电 祸 合 振 动 17 18 。 在 此 模 型 基 础 上 建 立 数 学 模型 ， 然后将此数学模型用状态方程表达出 来，同时 编制相应的仿真程序， 计算 瞬 态响 应的 仿真结果， 将各种仿真曲 线显示在屏幕上或打印出 来。 轧机在车 all 过程中，出 现因扭振而导致传动系统零部件损坏和带材断 带事故以及影响产品表面质量等现象，近年来国内外学者对瞬时扭振的研 究主要从机械方面考虑如何降低扭振放大系数等做了一系列研究， 取得了 进展， 但是由于轧机主传动系统包括两个子系统: 机械传动系统和电气传 动控制系统，因此车 晰 主传动系统的扭振是由这两个子系统相互作用的结 果， 现在越来越多的人从改善轧机主传动 控制系统的动态响应来有效地抑 制车 以主 传 动系 统 产生的 扭 振 19 1, 12 0 1 轧机主传动系统的 扭振实验研究进一步深入， 现在已 将广泛用于通信 领域的利用希尔伯特技术进行幅、相解调用于扭转振动的检测和分析，并 且设计相应的实验装置， 利用相应的设备和开发软件进行实验，由于整个 过程是数字化的，因 而具有精度高、 应用范围 广等一系列传统模拟方法不 可 比 拟的 优点 ， 并 且 摒 弃了 复 杂、 昂 贵 而 且 精 度 有 限 的 扭 矩 传 感 驴ill n , r 3 卜1 u卜p 习 国内 对轧机主 传动系 统的 扭振研究主要 是 从扭振理论分析和现场实测 相结合的分析方法。相互补偿，在考虑系统存在间隙和阻尼的情况下，编 制相应的仿真程序，得到系统的响应波形，并且与实测的波形进行比 较， 来 相 互 验 证 26 1, 2 7 1, 28 , 2 9 30 1 轧 机主传动系 统中 的 万向 接轴经常 破坏， 国内 对叉头、 扁头的失效分 析 主 要 是从 力 学分 析、 扭振 分 析、 断口 检验 及裂 纹 评定 等方 面 进行分 析， 认 为 扭 振 、 疲 劳 裂 纹以 及 材 质 是 导 致 轧 机 主 传 动 系 统 失 效 的 主 要 原 因 3 1, 32 1, 3 31, 4刁 1 . 5本文开展的主要工作 虽 然国内 外对轧机主 传动系统 研究 做了 大量的 工 作， 但由 于轧机系统 一， . . . . . . . . . . . . . . 口一一 重庆大学硕士学位论文i概述 的复杂性以 及轧机工作条 件的多变性。 迄今为 止， 在建立能 确切模拟车 l 机 系统模型方面还有许多问题有待解决，并且轧机种类繁多，其建模和计算 工作量是十分繁重的。由于攀钢 1 4 5 0精轧机组在热轧板厂中的重要性及 主传动系统存在的问 题;而且每次发生故障时， 万向 接轴都被破坏，发生 断裂，所以 我们基于以 上原因，本文开展了以 下工作: 断裂万向 接轴的材质分析 1 4 5 0精轧机组主传动系统的关键零部件 一叉头、扁头的材质进行了 化学成分分析、力学性能检验、断口的电镜分析以 及金相分析。从材质本 身查找断裂原因， 得出了 叉头的 化学成分与图 纸要求3 4 c r n i 3 m o 相差太 远，而与3 5 5 i m n 2 m o v 相近。 这 种化学 成分 决定了 材料的a ， 值很低， 其 冲击韧性不足。 主传动系统的扭振测试分析 利用应变测量的方法，通i 妇寸1 4 5 0轧机的f r . 几、几等三机架的传 动系统进行现场测试，获得了系统的固有频率、工作扭矩、冲击扭矩以 及 扭矩放大系数 ( t a f ) 。分析了 产生扭振的原因，并且提出了降低扭振的 措施。对工厂的 现场生产及设计部门的设计具有重要的 现实 意义。 1 4 5 0 轧 机主 传动系 统关 键零部件强度 分 析 对万向 联轴器进行了 有限元分析，从强度的角度解释了 万向联轴器的 叉头、扁头断裂的原因。讨论了非轴类零部件受 扭转作用时的 加载方式和 约束处理方法， 探讨了 采用切线矢量加 载法和边界元法对受扭转作用非轴 类零件进行有限元分析。 1 4 5 0 轧机主传动系统故障产生的 机理并提出了 治理措施 根据实 验和 现场测试数 据， 考虑力学、 扭 振、 材 质检查 等因素， 从1 4 5 0 轧机主传动系统失效原理进行了分析， 得出了 1 4 5 0精车 威组主传动系统 产生的机理，并且提出了相应的治理措施。 重庆大学硕士学位论文2万向接轴的材质分析 2 万向接轴的材质分析 2 . 1概述 攀钢1 4 5 0 精轧机于9 9 年6 月1 9 日2 3 点2 6 分、 乙 班 在轧 制q 2 3 5 ( 钢 卷号9 0 6 0 4 0 3 3 0 ) 时， 轧件出f 2 突然边浪， 并 有异响 6 月1 8日 曾 出 现 类似情况) 。 操作工检查发现 f 1 侧导板掉道， 机械处理耽误近 5分钟， 致使开轧温度降低，钢坯p y 3 温度分别降到8 5 0 0c , 8 1 0 0c a 1 1 点3 3分 车 筛目 完毕。 丙班钳工接班检查发现 f 1 上 接轴传动 侧叉头两受力面断裂。 此情况说明， 该接轴传动侧叉头的断裂 经历了 三次开停机过程。 图 纸要求， 接轴体由3 4 c r n i3 m o 制造，调质状态。 本章从材料的化学成分、机械性能、 金相组织等角度 对万向 接轴的断 裂原因进行了分析，得出了断裂原因与材料之间的关系。 2 .2检验结果 在万向 接轴断口 处取样， 加工成试件， 利用这些试件 来进行成分复查、 力学性能检验及金相组织分析。 2 .2 . 1化学成分复查 结果见表2 . 1 . 表2 . 1 叉头化学成分 ( %) 钢种 cs imnp scrnimo 实物样 0 .3 80 . 9 21 .9 00 .0 1 80 . 0 1 10 .0 7 60 . 2 00 .2 2 13 5 cr ni 3 mo0 . 3 0 - 0 . 4 0- p 4 1 p 3 = 1 .5 7 , 根据 a .s .h e r m a n j r 和 j .w r i g h t 等人推荐的轧机设计准则 ( p 2 1 p 1 2 , p i + 1 1 p i 1 .2 - 1 .3 ) 可知，该轧机设计并不 理想。 重庆大学硕士学位论文3 1 4 5 0 热精轧机主传动系统扭振测试 2 ) 机械构造上的过载因素和主电 机速度控制造成的冲击因素。 3 ) 在轧机传动系统中 存在着间隙 ( 特别是在万向 接轴与轧辊及齿轮 轴相连接的扁头处) 。对于连续运动的轧机， 这些间隙在轧机空转时是闭 合的。 轧件咬入时，由 于轧件头部对轧辊的冲击，轧辊被轧件推动向 前， 而使本来闭合的间隙不同程度的 脱开。 在此瞬间，轧件迅速咬入，车 l fb 力 矩立即迫使脱开的间隙重新闭 合， 因而产生冲击。这一 冲击的效果构成扭 振的初始变形速度条件， 使力矩振幅比 没有间隙时增大。 轧件的速度越快， 冲击力就越大，其振幅也就越大。 4 )当轧件头部形状不规则 ( 如保温帽口) ，温 度偏低时，咬入速度过 大，咬入发生困 难，容易打滑而产生扭振; 在氧化 铁皮厚， 轧件轧制温度 过高， 轧件咬入不稳定时， 也会产生打滑而引 起扭振现象。 s )在轧件咬入后，因 压下 量变大或加速度剧增时， 外加力矩和轴上 内 力矩及电 动机力矩的平衡遭到破坏，也会产生较强烈的扭矩振动。 6 )由 轧件上下表面的 温度差，轧件弯曲 等引起上下轧辊力矩不平衡 而造成的过载荷。 3 .6 .2减小扭振放大系 数的措施 轧机在各种咬钢条件 包括间隙冲击咬 钢、正常运转咬钢等)的 绝大 多数场合中，轴系均有不同程度的扭振反应。 咬入速度越高，扭振反应越 强烈，零速咬钢过程的扭振反应相对较轻， 这些反应是由 轧制静力矩和一 系列扭矩固有频率为频率的力矩谐波迭加组成，即各个固有频率振型均对 反应提供项次。 ( 1 ) 降 低动载系数的 有效方法是消除 传动 环节中 的间 隙， 尤其是轧辊 轴承与半联轴节的间隙， 应定 期检查和更 换 传动系 统中 的 滑块和垫 块: 改 善万向 接手的润滑，只能延长磨损件的寿命而不能消除磨损后的间隙，可 更换能自 动补偿间隙的挠性万向接手以降低间隙对扭振的影响; ( 2 ) 改 善轧 件的 咬入条件也可以 使传动 系统的 动载 荷系数降 低。 例如 从操作上调整喂料辊道的 转速使之与工作辊的 转速相一致以 消除咬入冲击 现象。 又例如改 善 坯料的 加热工艺， 保 证 坯料 头尾部的 温度 一 致以 消除冷 头的 影响。 采用低、中 速咬入、 加速车 l s 和高 速抛出 操作 可降 低扭振。 ( 3 ) 提高接轴的刚 度将使 动载系数加 大， 反 之， 减 少接 轴刚 度有利于 动载荷系数的降 低。 减少轧辊和电 机的 转动惯量都会使动 载荷系数相对减 少。但轧辊尺寸取决于轧钢工艺要求，电 机的电 枢是由电 参数决定， 创门 的惯量分配都不是按扭振动力学的考虑来加以 安排的。因此，想改变惯量 分配来降低动载荷系数指望不大。 重庆大学硕士学位论文3 1 4 5 0 热精轧机主 传动系统扭振测试 ( 4 ) 弹 性 联 轴 节比 刚 性 联 轴 节的 扭矩 放 大 系 数 小 很 多 。 如f : 的 扭 矩 放大系数比f : 和f 小， 故改用弹性联轴节能 有效降 底扭 矩动载荷。 在轧 机上安装扭矩监视系统， 不仅对保护现有设备有意义， 而且对改进产品 质 量和车 a 过程自 动化有重要意义。 3 .7结论 ( 1 ) 在对轧机传动系统扭矩测量过程中，发 现轧 件的 咬入冲击和打滑 可能产生扭振。以大量的实测数据为基础，用快速富氏 分析法进行频谱分 析，表明在发生扭振时，其车 l im 力、扭矩值在瞬间都有同步的成倍增长。 由 于扭矩基本振幅较大，若再产生较大的叠加振幅，其危险更大。对于测 试的 轧机主传动系统扭矩最大值已 达到额定扭矩值的2 .3 - 2 .5倍。 这是造 成传动系统部件断裂的重要原因之一。 ( 2 ) 车 l e i.的 不同 机架以 及 传 动系 统在发 生 扭 振时 有 不同 的 振 动 频率 和 持续时间。 传动轴扭转振动的频率一般在 2 0次 i s 内， 振动持续时间 一般 为0 .2 - 2 s o 重庆大学硕士学位论文41 4 5 0热精轧机主传动系统关键零部件的强度分析 4 1 4 5 0 热精轧机主传动系统关键零部件的强度分析 4 . 1引 y 4 1 1 . 4 2 1 . 4 3 1 刁 在工程技术和科学研究中，常常会 遇到大量的由 常 微分方程、偏微分 方程及相应的边界条件来描述的场问 题，如位移场和应力场问题，但是能 够用解析法求出 精确解的， 只是方程性质比 较简单， 且儿何边界相当规则 的少数问 题。 对于大多数问 题，由 于物体的 几何形状比 较复杂或者问题的 某些特征呈非 线性， 则很少能得出解析解，这 就需要研究它的数值解法， 以求出近似解。 在已 发展的许多 近似数值解法中，开始常 用的 是有限 差分法。它把基 本微分方程及其边界条件近似地改用差分方程来表示，把求解微分方程的 问 题转换成求解代数方程的问题。一个问 题的有限 差分模型可以给出它的 基本微分方程的逐点 近似，当 取较多 节点时，问 题的解的 精度可以 大大提 高。 这种方法在工程计算中曾被广泛地应用，使人们积累了丰富的经验。 但是， 当遇到几何形状复杂的边界条件时， 解的精度较低， 甚至求解困 难。 由 于计算机技术的发展，出 现了 另一种计算方法一一有限 元法。 所谓的有限元法 ( t h e f in i t e e l e m e n t m e t h o d ) 是最近二、 三十年发展 起来的一门 数值分析技术， 是借助于高速计算机求解场问 题的近似计算方 法。 它 运用离散的 概念， 使整个问 题由 整体 连续到 分段 连续，由 整体解析 到分段解析，从而使数值法与解析法互相结合， 互相渗透，形成一种新的 数值计算方法。也就是说把整个求解域离散成为有限个分段 ( 子域) ， 而 每一个分段内 运用变分法， 即利用与原问 题中 微分方程 相等价的 变分原理 进行推导，从而使原问题的微分方程组退化到代数联立方程组，使问题归 结为解线性方程组，由此得到数值解答。 有限元法实际上古典变分法的变体和发展，其基本思想一离散化观 点早在四十年代就已 经提出 来了。由 于当时的 计算机技术尚 未发展成熟， 这一观点没有引起人们的重视。到五十年代初，英国的一位航空系教授阿 吉 里斯 ( a r g y r i s ) 和 他的 合 作者打 破了 这一 局 面， 使 有限 元 法成 功应用 于结构分析问 题。 与 此同 时 美国 教授克劳 夫 ( r w .c l o u g h ) 运用 三角形单 元对飞机结构进行计算，并在 1 9 6 0年首 先提出了“ 有限元 法”的 名字。 六十年代中、后期， 数学家开始介入对有限 元法的 研究， 使有限 元法有了 坚实的数学基础。 我国 数学家冯康早在 1 9 5 6年就发表了 研究论文， 这比 美国数学家从事有限元法研究还要早。1 9 6 5年英国教授辛克维茨 c o .c .z i e n k e w i e z ) 及其合作者宣布， 有限 元法 可应用于 所 有场的问 题，因 为 有关场的问题能够化成变分的形式。 重 应 鑫 学 硕 士 学 位 论 文4 1 4 5 0 热 精 轧 机 主 传 动 系 统 关 键 零 部 件 的 强 度 分 析 有限 元法的 基 本思想是 将一 个连续求解域离散化， 即 分割成彼此用节 点 ( 离散点) 互相联系的 有限个单元， 在单元体内 假设近似解的 模式， 用 有限个节点上的 未知参数表征单元的特性， 然后用适当的方法， 将各个单 元体的关系式组合成包含这些未知参数的方程组， 求解这个方程组， 得出 各个节点的未知参数， 利用插值函数求出 近似解。 随着单元尺寸的 减小， 也就是单元的数目 的 增加， 解的 近似程度不断改进， 如果单元是满足收敛 的条件的话，近似解最终收敛于真实解。 本章对攀钢 1 4 5 0轧机的主传动系统的关键零部件一万向联轴器的叉 头和扁头进行了有限元分析， 从强度的角度分析了叉头、 扁头的断裂原因。 4 .2有限元基本知识 4 .2 . 1 有限元计算理论4 4 1. 4 5 1 , 46 1 对于大量弹性力学的实际问 题， 要求得到其梢确解答是十分困 难，甚 至是不可能的，因此寻求各种方便易 行的近t 解 法具有重要的意义。 有限 单元法在数学上仍然属于变分的范畴，对于各种复杂因素，如复杂的几何 形状、边界条件、不均匀的材料的特性，都能灵活的加以 考虑，不会发生 处理上的困 难。 有限 单元法的 基本方程仍然弹塑性力学物理、 几何方程， 所不同的 是弹性力学在整个区域内 求解，而有限单元法在单元范围内 建立 应力、 位移和应变之间的关系，然后求解单元与整体的关系。 有限 元法求解包括三个重要步骤:离散化单元分析 整体分 析。 所谓离散化，就 是把连续的弹性体划分成有限个有限 大小的构件，使 这些单元在有限个节点相互连接，并把每一个单元所受的载荷按静力等效 原则向 节点移植而 成为节点 载荷。单 元分析的主要任务使建立节点力 和节 点位移的关系。整体分析的主 要任务是形成总体冈 ii i矩阵。 有限元基本方程: k 和卜 p ( 4 . 1 ) 式 中 ， k : 总 体 刚 度 矩 阵 p : 整 体 载 荷 向 量 单元刚度矩阵: 总体单元刚度矩阵是由 单元刚度矩阵迭加形成的。 单元刚度矩阵为: k 一 仃 j ( b ) t d i b r d x d y d z (4 .2 ) 三维单元的应变方程: 重庆大学硕士学位论文4 1 4 5 0 热精轧机主传动系统关键零部件的强度分析 a u l a x 时ol y o- w l a z 柯 0 + a v / a x 例 ay十 a w / a z a u l a z 十 a w / ax ( 4 . 3 ) 单元应力: 行 卜沙 推( 4 .4 ) 4 .2 .2有限 元 分析软 件介绍 i - d e a s ( i n t e g r a t e d d e s ig n e n g i n e e r a n a l y s i s s o ft w a re ) 集成工程设计 分 析 软 件是s d r c ( s t r u c t u re d y n a m i c r e s e a r c h c o . ) 公 司 的 代 表 产品， 它 是至今为止世界上工程界最流行的 c a d / c a e / c a m 软件之一，代表 c a d / c a e /c a m软件的 最新水平。 尤其以1 9 9 3 年推出i - d e a s ma s te r s e r i e s v 1 . 0后，与以 前的版本相比， 具有革命性的 进步。 本文分析采用的是 i - d e a s m a s t e r s e ri e s v 6 .0 , 包括如 下功能 模块: d e s i g n设计 模块， 用于三 维实 体 造型、 曲 面 造型 设计、 装配设 计、 机构设 计和公 差 分析: d r a ft in g绘 图模块，用于二维工程图的 绘制: s im u la t i o n仿真模块， 主要用于有限元 分析、模态分析洲r e s t 侧试模块， 用于工程信号数据的时域和频域的相 关分析; ma n u f a c t u r e制造模块，用于加工仿真以及 n c路径与代码的生 成. 本文主 要使用 e s i ， 和 s i m u l a t i o n两个功能 模块。 采用i - d e a s软件进行有限元分析包括三个步骤:前处理、求解、 后 处理。前处理包括建立一个有限元模型几何实体的全过 程， 描述边界条件 和载荷， 以 及有限 元模型的检查和改进; 求解阶段在模型求解作业中进行， 也可以在一个外部的有限元分析程序中进行;后处理包括显示出位移和应 力，找出模型的危险区域，或利用失效准则，判定分析的物体在当前作用 下是否失效。 4 .2 .3受转矩作用零部件有限元法分析及约束方式的 研究 用有限 元法分 析工程零部件，实际上是对该零部件的一种受力模拟， 并 获 得 应 力 场 和 位 移 场 为 最 终目 的 4 7 , 4 8 , 4 9 1 。 由 于 实 际 受 力 情 况 复 杂， 而且难以 确定其分布，分析时往往根据圣维南原理， 将实际受力用一个等 效力系来代替。因此等效力系的选择和边界的约束方式将直接影响到有限 元 分 析 结 果 m . (5 11 . 15 2 1 , 15 3 1 。 对 于 一 般 轴 类 零 件 ，目 前 的 一 些 通 用 有限 元 分析程序， 如 a d ina , s a p , n a s t r a n , c a t i y a等，都提供了针对梁 重庆大学硕士学位论文 4 1 4 5 0 热精轧机主传动系统关键零部件的强度分析 4 .3 .3加载方式 叉头、扁头属于既传递扭矩又承受弯矩的非轴类零件，受力状况比较 复杂。以 往的有限元分析是通过实验的手段获得叉头、扁头与铜块接触表 面的接触应力分布，进而实现对载荷的模拟。 较为精确的 方法是三维光弹 试验法。该方法是根据相似性原理，通过应力冻结技术， 得到能反映应力 场强弱的叉头、扁头的 环氧树脂模型， 再经过切片和在光弹仪上拍照，获 得反映应力场变化的等倾线和等差线，并据此分离出各应力分量。从试验 的过程中可以看出，该方法的周期比 较长， 而且成本比 较高。为此本文采 用 文 献 3 中 提出 的 方 法 一 切线 矢量加载 法。 该 方法 通过 将 成对的 集中 力 沿切线方向加在周边节点上，实现对所传递的扭矩的 等效模拟。 4 .3 .4 边 界 条 件 因为在整个叉头、扁头与铜块相接触的表面应力分布是不均匀的12 1 所以 如果将叉头、扁头的这些表面简单地用限 制沿其外法线方向的 位移处 理， 显然就不能 反映实际情况。为 此我 们采用边界元来 模拟这种接触。 所 谓的边界元实际是一种假想的单元，它是一个通过指定节点的简单定向 轴，用沿此轴线的线性州申 刚度来确定。 其作用相当于在节点上加一个弹 簧，它的输出是一个力。 本文的分析着重揭示叉头、 扁头因强度问 题而出 现的断裂破坏，因此接触表面的 应力不是最关心的问 题。 如果考虑到磨损 的问题，或者是滑块的断裂问 题，在此用接触单元更为合适。当然接触问 题属于边界的非线性问 题，计算时间要成倍增加. 在 加 载 端 面的 节 点 上 加限 制 轴向 位 移( y 方向 ) 的 约 束 ， 同 时 在 适当 的位置限制x 方向和z 方向的位移。以 保证模型不发生刚体位移。模型建 好后，得到叉头模型节点总数为 2 1 5 9 6 ，单元总数为 1 3 2 3 0 :扁头模型节 点总数为7 7 1 5 ， 单元总数为4 6 8 5 . 4 .4有限元模型求解 4 .4 . 1 有限元模型求解 利用i - d e a s 软件中的s i m u l a t io n 有限元分析模块， 对上面建立的 有 限元模型进行求解，求解的结果见图 4 . 7 - 图 4 . 1 2 .( 计算扭矩 m = 7 5 5 5 0 0 k g .m 对料的 弹性模量e = 2 1 0 g p a , 泊 松比11 = 0 .2 8 . ) 重庆大学硕士学位论文41 4 5 0 热精轧机主传动系统关键零部件的强度分析 4 .4 .2有限元计算结果分析 经过计算得到叉头、扁头边界元的受力分布规律为: 在z 轴方向均近 似呈梯形分布， 这与 h .m.曼叶洛维奇的理论近似， 故这种边界条件施加 方法是可行的。从有限元计算结果可以看出: ( 1 ) 叉头、 扁头 应力 分 布以 轴 线为中 心呈 反 对 称 状 态， 即 在各 受 力 各 处的各个应力较大、而在另一 侧各应力 值很小。 按第四强 度理论将主应力 转换成等效应力，可以 看出 叉头、扁头 大部份地方的等效应力水平较低。 材料为 3 4 c r n i 3 m o ， 其屈服强度。 。 安图 纸要 求为6 2 0 m p a ， 叉头应力最 高点为虎口后部过渡圆弧处，在以 3 3 . 8 t m 计算时的最大应力值为 1 3 8 m p a ， 其安 全系 数为4 .4 9 3 ， 而 在以 发 生 扭 振 时 的 最 大 扭 矩为7 5 .5 t m 计算时的最大应力为3 1 5 m p a ，其安全系数为 1 .9 6 8 , 扁头 虎口 根部应力 变化最大， 是产生最大应力的地方， 实际 发生断裂事故也 在此， 在以3 3 .8 t m 计 算时 最 大 应 力 值为2 5 2 m p a ， 其 安 全 系 数 为2 .4 6 ， 而 在以 发 生 扭 振时 的 最 大 扭 矩为7 5 .5 t m 计 算时 的 最 大 应 力 为5 1 9 m p a ， 其 安 全 系 数 为1 .9 5 8 ; ( 2 ) 表4 - 1 是扭矩分别为3 3 .8 t .m和7 5 . 5 t m时的 有限 元分析结 果， 由 于接轴结构的复杂及工作的特殊性，同时 应力计算公式中 没有考虑应力 集中的影响。 故对于叉头、 扁头而言，各部分的真实 应力水平均应以 有 限元分析计 算结果为准。 表4 . 1 有限 元分析结 果 扭矩 ( t m) 3 3 . 87 5 . 5 名称叉头扁头叉头扁头 最 大 应力 ( m p a ) 1 3 82 5 23 1 55 1 9 安全系数 4 .4 9 32 .4 61 .9 6 81 . 1 9 5 8 最大变秋m m ) 0 . 5 40 . 5 11. 2 60 . 8 6 4 .5结论 ( 1 ) 根 据 叉头 和 扁 头的 强度分 析 计 算结 果 和 有 关 文 献 对同 类结 构 有限 元计算， 表明扁头的 虎口 根部应力最大， 叉头的虎口 后部过渡圆弧处应力 最高，与实际断裂部位是吻合的; ( 2 ) 轧机在正常工作状态下， 叉头 和扁头传 递的 扭 矩所产生的 应力小 于其材料的屈服应力安全系数在 2 .4 6 - 4 .4 9 3之间。 在异常情况下 ( 如系 统产生扭振) ，因扭振等原因可能引 起应力突然增大， 甚制达到或超过屈 服应力， 而产生 破坏， 如按测试 扭矩 ( 发生扭 振时) 进 行计算安全系 数仅 为 1 . 1 9 5 8 - 1 .9 6 8 . 重庆大学硕士学位论文5 1 4 5 0 热精轧机组主传动系统失效机理及治理措施 5 1 4 5 0 热精轧机组主传动系统失效机理及治理措施 通过对 1 4 5 0 热精轧机组主传动系统的现场扭振测试;对 1 4 5 0 热精轧 机组主传动系统的断裂叉头的材质分析以 及对万向 接轴的叉头、扁头进行 强度分析，我们得出了 1 4 5 0热精轧机组主传动系统的失效机理并提出了 相应的治理措施。 5 . 1 1 4 5 0 热精轧机组主传动系 统失效机理 通 过以 上侧 试、 检脸 和分析研究， 表明 导 致轧 机主传 动系统故障的 原 因主要有以 下几点: 1 ) 设计问 题。 轧机主传动系统扭振固有频率不满足a .s .h e n n a n j r 和 j .v j ri 幽等 人 推 荐 的 轧 机 设 计 准 则 ( p 2 / p l 2 p i+ 1 /p i 1 .2 - 1 .3 ) ， 从 扭 振 频率特性上看该轧机主传动系统设计配置并不理想。 2 ) 材质问 题。 叉头所用材料的化学成分与设计图纸要求的3 4 c r n i 3 m o 成分相差甚远;叉头含有较高级别的球状氧化物和大尺寸的复合夹杂，同 时图纸要求材料应经调质热处理，而叉头不是调质状态，粗大的奥氏体晶 粒及混晶 也证明了 材料的 韧性不高， 所以 材料的 冲击 值 a k 远低于设计要 求， 当扭振产生的瞬间冲击值很大， 超过材料的冲击值时， 就会产生断裂。 3 ) 扭振问题。因轧机传动系统中 存在的间隙在轧件咬入时由闭合到 脱开，在此瞬间产生冲击引 起扭振。当扭振放大系数 t a f ， 太大时，就会 造成接轴扁头和叉头的虎口 根部应力突然增大， 甚至使实际应力超过设计 安全系数范围，导致疲劳裂纹失稳讯速扩展，导致瞬间断裂. 4 ) 疲劳 裂纹。 在接轴扁头和叉头的 虎口 更根部处由于意 外的 损伤形 成了断裂源，经长期疲劳运行，在车 l t 1 负荷很大并形成强烈扭振时，其裂 纹就会以失稳扩展方式大面积扩展， 形成初始裂纹萌生- 扩展 - 断裂的 过 成。 5 .2 1 4 5 0 热精 轧机组主 传动系统失 效治理措 施 针对以上引 起轧机主传动系统故障的 几个主要原因，提出 如下几点治 理括旅: 1 ) 扁头和叉头材料的 成份和机械性能 应严格满足图 纸要求， 建议对 叉头和偏头 所用 材料 通过 试 验确定合适的 锻造及锻 后热处理工艺以 提高 材 料的 韧性， 并 对该零部件 进行探伤检验，以 保证无 缺陷; 2 )消除传动环节中的间隙以降低动载系数，尤其是轧 辊轴承与半联 轴节的间隙， 应定期检查和更换传动系统中的 滑块和垫块: 改善万向 接手 重庆大学硕士学位论文5 1 4 5 0 热精轧机组主传动系统失效机理及治理措施 的润滑， 只能延长磨损件的寿命而不能消除磨 损后的间隙， 可更换能自 动 补偿间 隙的 挠性万向 接手以降 低间隙对 扭振的 影响; 3 )改善轧件的咬入条件也可以 使传动系统的动载荷系数降低。例如 从操作上调整喂料辊道的转速使之与工作辊的转速相一致以消除咬入冲击 现象。又例如改善坯料的加热工艺， 保证坯料头尾部的 温度一致以 消除冷 头的影响。 采用低、中 速咬入、加速车 l im 和高速抛出操作可降低扭振。 4) 弹 性 联轴 节比 刚 性联 轴 节的 扭 矩 放大 系 数 小 很多 。 f l 因 更换弹 性 联 轴 节 扭 矩明 显比f z 和f , 小， 故 改 用 弹 性 联 轴 节能 有 效 降 底 扭 矩 动 载 荷. 在轧机上安装扭矩监视系统， 不仅对保护现有设备有意义， 而且对改进产 品 质量和轧制过程自 动化有重要意义。 5 ) 提高 接轴的 刚 度将 使动 载 系数加 大， 反 之， 减少 接 轴刚 度有利于 动载 荷系 数的降 低。 减少轧辊和电 机的 转动惯量都会使动 载 荷系数相对减 少。但轧辊尺寸取决于轧钢工艺要求，电 机的电 枢是由电 参数决定，它们 的惯量分配都不是按扭振动力学的考虑来加以 安排的。 因此， 想改变惯量 分配来降 低动载荷系数指望不大。 重庆大学硕士学位论文6 结 论 6 结论 攀钢 1 4 5 0 热精轧机组由 六机架组成，用来将2 0 - 3 0 n im的粗轧机来 料，车 筛日 成 2 -1 2 m m的 产品， 是攀钢热轧板厂的关键设备。 近年来随着 产量的增加，车 饰 负荷的 增大，轧机主传动系统发生故障的频率提高，仅 1 9 9 8 年就发生了5 次事故，直接经济损失达1 6 4 万元， 严重制约了生 产。 因而开展对 1 4 5 0热精轧机主传动系统故障机理和治理研究，具有十分重 要的工程意义和经济效益。 本文通过对 1 4 5 0热精轧机组主传动系统的扭振进行了现场测试分 析; 对其断 裂叉头材质的 化学成份、 机械性能及金相组织进行了 分析研究; 对万向 接轴的叉头、 扁头弓 虽 度 进行了 有限 元分析计 算， 得出了 1 4 5 0热精 轧机组主传动系统产生故障的机理， 针对产生故障的 原因 提出了 相应的治 理措施。对指导工程生产实际， 减少事故发生具有重要的实际意义，亦为 分析同类轧机提供了 一套完整的研究分析方法。总结 全文的 研究工作，可 得到下列结论: 1对万向 接轴扁头和叉头材料的化学成份、 机械性能进行了 检验分 析，发现所用材料的化学成分和冲击性能与设计要求相差甚远，叉头不处 于调质状态。建议对叉头和偏头所用材料通过试验确定合 适的锻造及锻后 热处理工艺以 提高材料的韧性; 2对万向接轴扁头和叉头的断口 进行了电 镜和金相分析，发现断裂 属于多源脆性疲劳断裂， 拟对该零部件进行探伤检验，以 保证无缺陷: 3 . 实测扭振结果分析表明，轧机主传动系统扭振固有频率不满足 a .s .h e r m a n j r和 j .w r ig h t 等人推荐的轧机设计准则 ( p 2 1p 1 2 , p i + 1 1 p i 1 .2 - 1 . 3 ) ， 从扭振频率特性上看该轧机主传动系统设计配置并不 理想; 4 . 轧机在轧制过程中 存在严重的扭振，使万向 接轴上的动负荷增大， 扁头和叉头的虎口 根部应力突然增大，甚至超过设计安全系数范围，导致 疲劳裂纹失稳讯速扩展，产生瞬间断裂; 5 . 利用有限 元分析方法对万向接轴扁头和叉头的强度 进行了 计算， 发现在静载荷时扁头的安全系数为 4 .4 9 3 ， 叉头的安 全系数为 2 .4 6 ， 而当 产生扭 振时， 其安全系 数仅1 . 1 9 5 8 - 1 .9 6 8 ; 6 . 叉头、 扁头属于既传递扭矩又承受弯矩的非轴类零件，受力状况 比 较复杂。 论文讨论了 非 轴类零部件受 扭转作用时的 加 载方式 和约束处 理 方 法， 探讨了 采用切线矢量 加载法和边界元 法对叉头、 扁头 进行有限 元分 析的方法; 重庆大学硕士学位论文6 结 论 7 . 根据部分实测数据，从力学分析、扭振测试分析、断口检验等方 面对1 4 5 0 热精轧机万向 接轴断裂原因 进行了 分析， 认为系统设计、 材质、 扭振是导致万向 接轴