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本文對無縫厚壁鋼管軋輥軸部斷裂原因進(jìn)行分析，通過計(jì)算軋輥軸部的疲勞應(yīng)力并且使用ANSYS對疲勞應(yīng)力的有限元計(jì)算，用計(jì)算結(jié)果對軋輥軸的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，延長了軋輥軸的疲勞壽命。

無縫厚壁鋼管軋機(jī)作為一種應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)中的機(jī)械設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)等特點(diǎn)。但由于工作條件惡劣及受力過程復(fù)雜，軋制過程中軋輥軸極容易斷裂(圖1曲線位置顯示其斷裂位置)，從而影響整個(gè)無縫厚壁鋼管軋機(jī)的正常工作。為此，對系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出軋輥軸斷裂的原因，并對軋輥軸進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免軋輥軸使用中斷裂，延長其壽命周期。

1斷裂的可能原因

工作過程中的軋輥軸主要承受彎曲力、扭轉(zhuǎn)力及軸的自重力的作用，由于厚壁鋼管表面高低不平，這些應(yīng)力(除重力)隨軋輥軸運(yùn)行過程不斷發(fā)生變化，所以軋輥軸的局部可能會發(fā)生高頻大應(yīng)變疲勞斷裂。實(shí)驗(yàn)觀察和斷口分析看出，發(fā)生軋輥軸斷裂的可能原因有:

(1)材質(zhì)存在缺陷:對斷軸進(jìn)行材質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)，斷軸中選部分材料分析，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼沒有熱處理，材質(zhì)性能比較差、強(qiáng)度比較低。對軋輥軸斷口的外貌仔細(xì)觀察，斷口顏色為灰色，較為平整，塑性變形特點(diǎn)不明顯，斷口面發(fā)生在軋輥軸軸線垂直方向，疲勞破壞特征明顯，三個(gè)區(qū)域很清晰:①疲勞源在帶狀區(qū)，最初斷裂在此處形成，并由此擴(kuò)展開來;②光滑區(qū)域是疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)，能看到明顯條紋，應(yīng)力交變反復(fù)，裂紋時(shí)張、時(shí)合，是一個(gè)揉折過程，形成疲勞斷口上的光滑區(qū)，是裂紋擴(kuò)展的表現(xiàn);③粗糙區(qū)是突然斷裂發(fā)生時(shí)的結(jié)果，是脆性材料斷裂的重要特征，因此材料的質(zhì)量較低，可能在內(nèi)部有缺陷，導(dǎo)致軋輥軸發(fā)生疲勞斷裂是一個(gè)原因。

(2)應(yīng)力過集中:在軋輥軸設(shè)計(jì)和加工中經(jīng)常會有軸肩結(jié)構(gòu)，過渡圓角過小，軋輥軸工作過程中，交替變化應(yīng)力難以避免，應(yīng)力分布不勻普遍存在，在應(yīng)力大的部位逐步形成裂紋并且逐漸擴(kuò)大，脆性斷裂最終出現(xiàn)。因此，合理設(shè)計(jì)軋輥軸的結(jié)構(gòu)對于降低應(yīng)力集中非常重要。

2 ANSYS軟件分析軋輥軸的疲勞極限應(yīng)力

軋輥軸受力狀態(tài)的分析，軋輥軸應(yīng)力的有限元計(jì)算為三維應(yīng)力問題。軋輥軸在扭矩的單獨(dú)作用下，疲勞應(yīng)力有限元軟件分析的應(yīng)力是做計(jì)算分析的內(nèi)容。在扭矩作用下，軸的載荷為對稱載荷，進(jìn)行單元?jiǎng)澐挚紤]其軸對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分析進(jìn)行對稱載荷的危險(xiǎn)截面分析。具體方法是先進(jìn)行軋輥軸實(shí)體建模，模型采用實(shí)體單元，由軟件自動完成網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，按實(shí)際載荷情況進(jìn)行加載，材料在彈性范圍內(nèi)工作，計(jì)算出軋輥軸危險(xiǎn)面的應(yīng)力圖。

軋輥軸第一臺階過渡圓弧位置應(yīng)力出現(xiàn)最大，最大應(yīng)力854MPa。分析軋輥軸的變形看出，在交替變化應(yīng)力的作用下，在軋輥軸端臺階產(chǎn)生扭曲變形，軋輥軸應(yīng)力集中就在此處，疲勞源由這個(gè)位置生成并向外延展，斷裂發(fā)生。在軸端臺階處加5mm圓弧過度后，應(yīng)力下降明顯。因此，控制疲勞源，就可以延長軋輥軸壽命。另外，降低有效應(yīng)力集中系數(shù)k和提高表面質(zhì)量系數(shù)β，同樣可以使疲勞源的發(fā)生時(shí)間延后，疲勞壽命得到延長。

3結(jié)論

(1)分析可以看出，無縫軋機(jī)軋輥軸的斷裂主要是疲勞斷裂，是軋輥軸受彎曲及扭轉(zhuǎn)引起的。圖2和圖3看出應(yīng)力集中區(qū)是軋輥軸裂紋產(chǎn)生的部位和斷軸斷裂截面，與分析結(jié)果一致，也說明計(jì)算的正確性。

(2)疲勞裂紋的根源在軋輥軸計(jì)算應(yīng)力集中區(qū)，疲勞斷裂的內(nèi)部誘因是材質(zhì)內(nèi)缺陷和1軋輥軸的材料質(zhì)量。因此，需改善或消除軋輥軸應(yīng)力集中及其薄弱環(huán)節(jié)以及提高材料和軋輥軸的質(zhì)量。提高軋輥軸的疲勞強(qiáng)度在幾個(gè)方面:材料的力學(xué)性能，材料的金相組織、雜質(zhì)含量，熱處理方法的正確，材料內(nèi)部存在缺陷盡量少，提高材料質(zhì)量。如45#鋼不能達(dá)到要求時(shí)，在成本允許的情況下，可用其他材質(zhì)好的材料代替，如35CrMo調(diào)質(zhì)、40Cr鋼等。