轧机万向联轴器十字轴断裂分析与改进设计

3.1宏观断口形貌分析
    十字轴的断裂发生在圆弧过渡段，其宏观断口照所示断口裂源区、裂纹扩展区b和瞬间断裂区C三个区域组成裂纹扩展区B有明显的’.贝壳状”条纹，属于典型的疲劳断裂贝壳状”条纹表示裂纹*在间歇扩展时的依次位置，为轧辊在咬钢和抛钢时因载荷变动较大所造成的，在裂源区，其磨平区域从表面开始，表明断裂起始于表面裂纹裂纹扩展区K.“贝壳状”条纹扩一展速度不同，中间的扩展速度大于两侧，表明轴头以承受循环弯矩为主.宏观断口表明，疲劳源在十字轴一侧根部，向另一侧根部扩展，井在另一侧根部发生瞬间断裂
4轧制力矩监测
    针对轧机上主传动轴轧辊侧十字轴断裂的情况，通过调用PDA记录仪对轧机的监测结果如下:
    (I)咬钢时**过3倍额定扭矩的情况有发生;
    (2)咬钢时上辊扭矩大于下辊扭矩，初轧道次的扭矩基本均**过2.5倍额定扭矩，咬钢时的扭矩初轧道次平均扭矩基本都**过1.5倍额定扭矩。轧机在轧制的过程中，其轧制对象绝大多数是X80系列的高强板对单块X80钢板的轧制道次的力矩数据进行采样.对于强度高且宽度较宽的钢板，粗轧次基本都非常大，都在2倍额定力矩左右，咬钢时还有**过3额定力矩的现象;对于中等强度但较宽的钢板，力矩也相当大。 影响主传动系统零部件疲劳破坏的主要负荷不是稳态轧力矩，而是轧件被轧辊咬人和抛出时产生的峰值扭矩。研究的轧机的额定扭矩为M =955kN "m，过载扭矩为T=2626kN " m，峰值扭矩为T,=2865kN " m , X80钢板连续轧钢的道次力矩采样数据进行采样分析，测得轧辊在咬钢和抛钢时.其平均峰值扭为额定扭矩的2.60倍，即为2483kN"m
5.关节整体有限元分析
    采用系统有限元分析法将十字轴式万向联轴器关节各部分组成装配体进行整体建模分析。万向联轴器关节整体装配后在倾角5°情况下导人有限元分析软件A nasva Workbenc中进行应力分析，在建模过程中对应力影响不大的细节部分进行了简化为更加准确地反映十字轴的受力状况.确保正确判定十字轴断裂的原因.对十字轴圆弧讨渡处讲行了局部细化二局部细化处的影响球直径为150mm，细化网格大小为1 Omm其它零件均采用自由网格划分，网格大小为40mm对装配体划分网格离散后共有317563个单元,449196个节点，划分网格后的模型，
    根据十字轴式万向联轴器的实际运行情况，关节装配体巾共设置16个接触对，十字轴与轴承组件的接触关系为滚动摩擦Frictional )，滚动摩擦系数取0.0025法兰叉与轴承组件的接触关系为联结(bonded )根据对连续轧钢的道次力矩采样数据的分析，其计算载荷取平均峰值扭矩2483kN "m。对关节一个端面施加固定约束，另一个端面施加计算扭矩经过分析，十字轴的等效应力云图.
6结论
以某轧钢厂十字轴式万向联轴器关节组件为研究对象，针对十字轴断裂事故，运用宏观断口分析技术、机械设备检测分析技术、材料机械性能分析技术及三维有限元分析技术对该十字轴的断裂原因进行了综合分析。通过分析，得到以下结论:1该3500轧机是可逆轧机，关节承受交变扭矩，宏观断口表明:十字轴轴头以承受循环弯矩为主。正常工作情况下，一侧的扭矩大于另一侧，弯矩大的一侧先出现疲劳裂纹，并从裂纹处逐渐扩展;事故导致一侧先出现裂纹，十字轴承受扭矩能力降低，从裂纹扩展至断裂。(2)十字轴材料为18Cr2Ni4WA，其化学成分基本符合GB/T3077-1999中规定的化学成分要求。(3)采用有限元法对十字轴式万向联轴器关节进行分析，表明原十字轴圆弧过渡处疲劳强度不足是十字轴断裂的主要原因。改进设计后的十字轴圆弧过渡处的主应力降低了13.1%，低于十字轴的疲劳极限，满足设计要求，对十字轴的改进设计提供了强力的技术支持。