范亮，王江，王文斌，韓建華，李樹強

(1.甘肅路橋新銳交通科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730100；2.蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

波形梁鋼護欄板冷彎成型設(shè)備主要用于鋼板成型作業(yè)，其工況復(fù)雜、工作強度大[1]。該設(shè)備傳動軸屬于冷彎成型設(shè)備的關(guān)鍵傳動部件，主要功能是將電機的轉(zhuǎn)動和力矩傳遞到工作機架的軋輥上[2]。傳動軸的可靠性對波形梁鋼護欄板冷彎成型過程中的安全性至關(guān)重要，傳動軸一旦出現(xiàn)斷裂故障，則會造成生產(chǎn)線停機或生產(chǎn)安全事故發(fā)生，會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。甘肅某公司在生產(chǎn)三波形梁鋼護欄板過程中，冷彎成型設(shè)備傳動軸發(fā)生斷裂失效，其使用壽命遠低于其設(shè)計壽命。

國內(nèi)外學(xué)者對傳動軸的失效進行了大量研究。XIA M等[3]建立了傳動軸的力學(xué)模型，解決了結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力和沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)問題。張錦光等[4]針對設(shè)計傳動軸振型問題，通過Abaqus有限元軟件進行了理論計算，得到了傳動軸振型圖像以及振幅數(shù)值。趙穎[5]運用最小二乘估計法對設(shè)備運行狀態(tài)進行定量分析，并開發(fā)了冷彎成型設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，進行冷彎成型設(shè)備運行狀態(tài)識別和故障分析。

以上研究主要從三維建模仿真方面對傳動軸斷裂失效進行了分析，忽略了成組設(shè)備相互間的影響。針對三波形梁鋼護欄板冷彎成型設(shè)備傳動軸斷裂失效故障，本文從成型軋輥道次、成型角度分配以及其受力等多角度對傳動軸受力影響因素進行研究，分析了該傳動軸發(fā)生斷裂失效的原因，并提出有效對策，避免再次發(fā)生傳動軸斷裂事故。

1 傳動軸斷裂情況

波形梁鋼護欄板冷彎成型機組整體尺寸為12 022×2 313(mm× mm)，總承重30 t，總功率為190 kW，共裝有18道次成型軋輥。第一道次為進料輥，后十七道次為三波形梁鋼護欄板成型道次。在實際生產(chǎn)作業(yè)中，傳動軸發(fā)生斷裂失效的部位位于軸頸與軸臺階過渡圓角根部位置，如圖1所示。該傳動軸系外圓直徑為65 mm，所用材料為45鋼，整體調(diào)質(zhì)處理。

圖1 傳動軸失效斷裂位置圖

2 傳動軸斷裂原因分析

傳動軸斷裂的因素很多，包括本身的因素，即傳動軸設(shè)計所受的局限性以及設(shè)計的不合理都會導(dǎo)致傳動軸斷裂；外部因素包括冷彎成型設(shè)備工作輥和支撐輥的設(shè)計以及是否過載、成型軋輥道次、成型角度分配等。因此本文對傳動軸斷口、軋輥工作時的狀態(tài)、成型軋輥道次和成型角度分配進行分析。

2.1 宏觀斷口分析

冷彎成型設(shè)備傳動軸的左側(cè)斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可以看出，傳動軸斷裂部位位于φ60 mm與φ65 mm軸臺階過渡圓角根部，傳動軸斷口呈扭轉(zhuǎn)塑性變形。傳動軸斷口根據(jù)表面特征不同分為兩個區(qū)域，斷口1#區(qū)和斷口2#區(qū)。1#區(qū)為瞬斷區(qū)，位于斷口中心且粗糙，呈亮灰色凸起；2#區(qū)呈星形狀沿扭轉(zhuǎn)變形方向發(fā)生變形。整個斷口為典型的扭斷斷口，說明斷口的應(yīng)力過大，判斷失效是由于應(yīng)力過載造成。

圖2 傳動軸斷口宏觀圖

2.2 成型軋輥道次分析

成型道次的多少直接影響著機組設(shè)備的使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量。小奈弘[1]根據(jù)板料成型各種斷面形狀和成型道次數(shù)的關(guān)系，提出了對稱斷面成型道次數(shù)確定方法和非對稱斷面成型道次數(shù)確定方法，并建立了成型道次數(shù)與形狀因子函數(shù)的曲線。

該企業(yè)生產(chǎn)的三波形梁鋼護欄板斷面圖如圖3所示，屬于對稱斷面圖。根據(jù)文獻[1]的對稱斷面成型道次數(shù)確定方法和對稱斷面的形狀因子函數(shù)曲線圖，為分析冷彎成型道次數(shù)合理性提供了參考依據(jù)。對稱斷面的形狀因子與成型道次圖如圖4所示。

圖3 三波形梁鋼護欄板斷面圖

圖4 對稱斷面的形狀因子與成型道次

對稱斷面的形狀因子函數(shù)φ1為

φ1=F·n·t

(1)

式中：F為立邊長度，mm；n為成型彎角數(shù)量；t為板胚厚度，mm。

在計算立邊長度時，不考慮不參與變形的腹板寬度。由公式(1)、三波形梁鋼護欄板截面形狀和圖5可知，波形梁鋼護欄板成型道次數(shù)N=18，與實際設(shè)備成型道次數(shù)吻合。故成型軋輥道次設(shè)計合理，不會造成傳動軸斷裂。

2.3 彎曲角度分配分析

彎曲角度的分配是否合理對產(chǎn)品質(zhì)量好壞和設(shè)備平穩(wěn)運行有直接的影響。因此彎曲角度的分配一定要符合彎曲角度大小的分配總規(guī)律[6]。對三波形梁鋼護欄板成型過程中各彎曲角以及彎曲邊進行如圖5所示的定義。三波形梁鋼護欄板冷彎成型工藝中，為實現(xiàn)胚料鋼板咬入成型道次，在冷彎生產(chǎn)線頭部設(shè)置一個夾送道次，通過夾送輥推動胚料鋼板順利咬入成型道次軋輥輥縫，之后每一道次彎曲角度逐漸增大。

圖5 各彎曲邊及彎曲角定義示意圖

根據(jù)文獻[1]提出的彎曲角度分配方案，結(jié)合三波形梁鋼護欄板斷面形狀，采用對稱截面的彎曲角度分配公式：

(2)

式中：θo為斷面的最終成型角度，(°)；i為成型道次，取i=1,2,…,18；θi為每道次的成型角度，(°)。

三波形梁鋼護欄板冷彎成型總道次為18，并且為等間距成型，可得到θi=0°、8°、18°、…、80°(i=1,2,…,18)。成型角度分配如表1所示。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，對于冷彎成型機組，前三道會采用閉孔式，彎曲角不超過20°，所以設(shè)計的彎曲角度符合要求。

表1 冷彎成型各道次與成型角度分配

2.4 冷彎成型過程有限元模擬及分析

1)有限元模型建立

使用三維軟件建立板料和上下軋輥三維圖模型。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[7]，三波形梁板采用750 mm寬的薄型鋼板連續(xù)滾壓成型，其尺寸規(guī)格為4 320 mm×506 mm×85 mm×4 mm。上下輥尺寸為245 mm、機架間距為750 mm，第一機架為導(dǎo)入輥，沒有孔型。在模擬過程中選取第二機架作為實際軋制機架，其軋輥工作轉(zhuǎn)速為35 r/min。根據(jù)實際工作情況，上輥和下輥為工作輥。工作輥以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，板料以一定恒定的初速度向輥縫運動，進入輥縫后，靠摩擦力帶動板料運動，完成彎曲變形過程。

2)模擬及分析

考慮到多道次冷彎成型計算規(guī)模大且為薄板軋制，并且傳動軸斷裂部位位于機組前幾道次，故對第二道次進行模擬分析，按有限元模型進行計算，計算條件如表2所示。軋輥采用剛性輥，軋輥和板料采用SOLID164單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10×10。板料成型有限元模擬過程如圖6所示。

表2 冷彎成型過程模擬計算參數(shù)

圖6 板料冷彎成型過程有限元模擬

通過對板料成型有限元模擬過程進行分析可以得出：在模擬過程中，板料以一定恒定的速度向輥縫運動，板料成形狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)邊波以及翹邊等現(xiàn)象，與實際變形規(guī)律相符。

圖7為板料有限元模型在各階段成形的等效應(yīng)力圖。從圖中可以看出，板料從初始進入到退出這個過程中，板料所受的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在板料與軋輥接觸的彎角處，其各階段的最大應(yīng)力分別為114.9 MPa、141.1 MPa和140.6 MPa；板料在不同階段受力變化呈現(xiàn)為先增大后趨于平穩(wěn)趨勢；與板料的屈服強度作對比發(fā)現(xiàn)，各階段所受的最大應(yīng)力小于額定屈服強度。因此板料與軋輥傳動軸在工作中都不會出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，設(shè)計合理。

圖7 板料成形等效應(yīng)力圖

根據(jù)得到的板料成形過程應(yīng)力數(shù)據(jù)，處理得到的應(yīng)力-位移曲線圖如圖8所示。由圖7和圖8可以看出，整個過程應(yīng)力最大處位于自由變形區(qū)，最大的Von Mises等效應(yīng)力為141.1 MPa，出現(xiàn)在自由變形區(qū)板料與工作輥彎曲接觸區(qū)域。

圖8 應(yīng)力-位移曲線圖

根據(jù)軋機的電機額定功率P為110 kW，電機的額定轉(zhuǎn)速n為1 000 r/min，得出傳動軸的額定轉(zhuǎn)矩T為

軋輥傳動軸的材料為45鋼，通過查閱手冊[8]得到傳動軸材料的屈服極限為345 MPa，最大抗拉強度為740 MPa。根據(jù)分析可知，板料成型過程中的Von Mises等效應(yīng)力遠小于傳動軸的額定轉(zhuǎn)矩和傳動軸材料的屈服極限345 MPa，滿足第四強度要求條件，傳動軸的材料選取和設(shè)計是符合實際要求的，不會造成傳動軸斷裂失效。

3 結(jié)果分析

通過研究分析，發(fā)現(xiàn)成型軋輥道次設(shè)計和成型角度分配合理，符合設(shè)計要求和實際運用；冷彎成型過程中板料和傳動軸所受最大應(yīng)力均在設(shè)計的安全范圍之內(nèi)，能滿足生產(chǎn)的需要；在正常的運行情況下，都不會造成傳動軸突然斷裂。傳動軸突然斷裂是由于應(yīng)力過載造成的。在傳輸過程中，因為板料較薄可能粘著在一起，兩塊板料直接進入導(dǎo)向輥，導(dǎo)致后道次傳動軸轉(zhuǎn)矩迅速升高，從而造成了傳動軸的突然斷裂。在實際生產(chǎn)過程中也驗證了導(dǎo)致傳動軸突然斷裂的主要原因是兩塊板料粘附在一起同時進入輥縫，導(dǎo)致應(yīng)力增大超過了額定值。

4 改進措施與效果

為防止三波形梁鋼護欄板冷彎成型設(shè)備傳動軸斷裂故障，應(yīng)避免過載和應(yīng)力過大，為三波形梁鋼護欄板冷彎成型設(shè)備提出了一套解決方案：在傳動軸上布置轉(zhuǎn)矩傳感器，利用無線傳輸技術(shù)動態(tài)獲取傳動軸的實時轉(zhuǎn)矩信息；采用信號處理技術(shù)，在上位機上及時對機組運行趨勢做出預(yù)測。當(dāng)傳動軸的實際轉(zhuǎn)矩超過額定轉(zhuǎn)矩時，報警并停機檢查，防止機組傳動軸發(fā)生損壞，減少了非正常停機次數(shù)。

隨著狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實施，三波形梁鋼護欄板冷彎成型設(shè)備的故障發(fā)生率大幅度降低，異常停機次數(shù)減少91%，日均產(chǎn)量提升9.6%，生產(chǎn)效率大幅提高，維修成本降低，經(jīng)濟效益明顯提升。

5 結(jié)語

1)針對傳動軸的斷裂失效，構(gòu)建了冷彎成型過程有限元模型，對傳動軸宏觀斷口、成型軋輥道次、成型角度分配以及冷彎成型過程進行了有限元模擬研究分析。研究表明，成型軋輥道次設(shè)計合理、成型角度分配合理、板料與軋輥傳動軸受力合理。

2)從宏觀斷口形貌檢查發(fā)現(xiàn)傳動軸的斷裂失效位置集中于直徑為φ60 mm與φ65 mm軸臺階過渡圓角根部，此處不僅承受最大剪切力，還存在應(yīng)力集中，在強轉(zhuǎn)矩作用下突然斷裂。驗證了波形梁鋼護欄板冷彎成型機組傳動軸斷裂屬于應(yīng)力過載失效。

3)提出了一套完整的解決方案。設(shè)計了一套狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在傳動軸上合理布置了轉(zhuǎn)矩傳感器，實時獲取與顯示傳動軸的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩超過臨界值時提前預(yù)警并停機檢查。通過生產(chǎn)實踐證明，發(fā)現(xiàn)此方案能夠降低故障發(fā)生率，經(jīng)濟效益明顯提升。