h型钢轧轧辊轴断裂原因分析

h型钢轧轧辊轴断裂原因分析

1h型钢生产线马鞍山钢铁有限公司第三钢铬车间拥有60万th预制装配厂，拥有60万吨h形线。自2005年投产以来,H型钢万能轧机的辊轴频繁出现断裂情况。其辊轴为42CrMo锻钢,外装辊套,见图1。由于断辊频繁,使辊耗超标,轧机生产效率降低,劳动强度增大。2轴误差分析2.1辊轴断裂情况对2005年9月至2006年9月期间辊轴断裂情况进行统计,如表1所示。从表1可看出,辊轴断裂主要集中在中轧7#～9#机架上辊圆角过度处;轧制腹板宽度在300mm以上。2.2错误起源原因2.2.1断裂带和断裂带的形状(1)错误位置传动及操作侧断裂的部位集中在辊肩与辊颈连接处,即应力集中的R圆角处;(2)输入形式基本上是齐断口,个别断轴有向辊芯45°方向断裂的趋势。齐断口中大多呈凹型断口,无明显凸型断口形式。2.2.2辊轴r圆角开裂从断裂面水印判断断辊原因:(1)断口无明显水印,齐断口或45°斜向断口:当新产品规格调试或轧制低温钢及咬入不良时,在R圆角过渡处为拉应力状态,如果与缺陷危险源相遇,则加剧了开裂程度,会立即发生脆性断裂,俗称“闪断”或“掰断”。(2)局部水印:在R圆角过渡处有铸造缺陷或加工缺陷,在较大轧制负荷下,首先在缺陷危险源处形成局部裂纹,当裂纹增大到一定面积后,立即脆断,表现为凹型齐断,称为缺陷积累断裂。(3)圆周水印:辊轴R圆角处于拉应力状态,承载较大轧制负荷时会使应力集中的R圆角处酝酿开裂,并在交变应力作用下发展、扩大,在辊轴外圆周等距离出现裂纹,形成水印,当应力达到辊轴强度极限时,立即断辊,断面呈凹型齐断口,这种过程称为疲劳积累裂纹。针对某一具体断辊现象,上述3种类型断辊也可能同时存在。3r轴危险剖面的厚度校正3.1r-fsb轴r圆角压力分析辊轴受传递扭矩和承载弯矩的共同作用,同时受周期性弯曲的交变应力作用,是典型的应力集中位置,以下取该位置为危险截面进行强度校核。3.2u3000h型钢uH型钢在轧制中的工艺参数:轧制温度为1100℃,轧制速度为30mm/s,工作辊半径为970mm,辊套宽度为380mm,压下量为3mm时,利用埃克隆德公式,求出平均单位轧制力Pm=278MPa。H型钢轧辊受力面积采用平面高度法计算,得S=23670mm2。进一步求出轧机轧制力:F=Pm·S=5696.4kN(1)弯曲应力计算由静力学平衡方程求得辊颈处支反力:T=T1=T2=F/2=2848.2kN由支反力可计算出辊颈圆角处弯曲应力:Mσ=T×C=356kN·m式中,C为压下丝杆中心线至辊身连缘处的距离,C=125mm。(2)辊颈危险截面r圆角合成应力为不考虑辊轴和辊轴轴承的摩擦力,驱动单一辊轴所需扭矩为Mτ:Mτ=F·a式中,a为扭矩臂长,指接触弧长压力分布面积重心到轧制中心线间的距离,如图2所示,一般热轧时取a=0.5Ld,冷轧时取a=0.4Ld。a=0.5RΔh−−−−√=0.027mMτ=153.64kN⋅ma=0.5RΔh=0.027mΜτ=153.64kΝ⋅m计算辊颈圆角R处弯曲应力及扭转应力的合成应力:σ=Mσ0.1d3=108.65MPaσ=Μσ0.1d3=108.65ΜΡaτ=Mτ0.2d3=23.44MPaτ=Μτ0.2d3=23.44ΜΡa式中,d为辊颈处最小直径,d=230mm。由于辊颈同时受弯矩和扭矩的作用,所以必须考虑弯、扭合成应力是否满足要求。弯、扭合成应力计算采用第4强度理论。辊颈危险截面(R圆角)合成应力为:σ合成应力=σ2+3τ2−−−−−−−√=116MPaσ合成应力=σ2+3τ2=116ΜΡa合金锻钢辊:σb=700～750MPa,许用应力Rb=140～150MPa。可见,辊颈的理论强度满足生产实际需求。3.3应力集中系数危险截面安全系数校核:S=SσSτS2σ+S2τ√≥SPSσ=σ−1Kσβεσσa+ψσσm(只考虑弯矩作用下的安全系数)S=SσSτSσ2+Sτ2≥SΡSσ=σ-1Κσβεσσa+ψσσm(只考虑弯矩作用下的安全系数)Sτ=τ−1Kτβεττa+ψττmSτ=τ-1Κτβεττa+ψττm(只考虑扭矩作用下的安全系数)式中,Sp为疲劳强度计算的许用安全系数,取Sp=1.3～1.5;Kσ、Kτ分别为弯曲和扭转时的有效应力集中系数,查表取值分别为1.55、1.42;β为表面质量系数,取β=0.95;εσ、ετ分别为弯曲、扭转的尺寸影响系数,查表取值分别为0.54、0.60;ψσ、ψτ分别为材料的拉伸和扭转平均应力折算系数,取值分别为0.43、0.29;σa、σm为弯曲应力的应力幅和平均应力,考虑为对称循环应力,取值分别为108.65MPa(即弯曲应力)和0;τa、τm分别为扭转应力的应力幅和平均应力,考虑为对称循环应力,取值分别为23.44MPa、0。最终计算得出:S=1.07。综上所述,辊轴危险截面(R圆角处)疲劳安全系数较低,未达到设计标准要求。4辊轴内部缺陷的控制通过对辊轴断裂面的分析和危险截面的强度校核,得出R圆角处的疲劳安全系数较低是诱发断轴的主要原因。另外,轧制负荷过大,辊轴内部组织缺陷的存在也加剧了断辊的可能。由于机架牌坊的限制,圆角R无法更改。因此目前应采取的改进措施:一是改进轧辊材质、