D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.05.015 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 热轧带钢R2粗轧机下主传动轴断裂 有限元分析与应用 魏钢城2)曹建国)张杰)戴江波) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)武汉钢铁（集团）公司，武汉430083 摘要以某2250热轧带钢厂R2粗轧机承受较大载荷的下主传动轴为研究对象，采用Mar℃软件建立了该传动轴薄弱区段 弯扭应力分析三维有限元模型。扭转、弯曲和弯扭联合作用等不同载荷条件的有限元分析表明：不同工况下传动轴在托架支 持的局部轴段的缩颈导致该处应力比非缩颈处的应力增加约60%：异常扭矩是造成传动轴产生裂纹和断轴的主要原因：采取 将传动轴缩颈区段改为实心区段的加固措施可减小最大扭矩应力值21%.改进后的具有裂纹的传动轴已成功应用于粗轧机 的正常轧钢生产。 关键词热轧；粗轧机；主传动轴：有限元法 分类号TG333.72 2003年3月29日建成投产的某钢厂二热轧 的扭矩，两个扭矩相互平衡，从而使传动轴起到将电 2250热连轧机是目前国内产量最大、轧制宽度最大 机扭矩传递给工作辊的作用]，由于该R2轧机 的热连轧机山，从国外引进的该带钢轧机机组的 轧制钢种多为高强钢，其带钢屈服应力都在 R2粗轧机为二辊可逆式轧机，在2005年1月29日 500MPa以上，是普通钢的2倍以上门，因此轧机的 R2轧机发生下传动轴断轴事故，断轴断面位于传动 力能参数较大·其中传动轴的基本力能参数为：许 轴中部支撑缩颈距离轴承止推截面约12mm截面 用扭矩6300kNm,最大扭矩13200kNm,轴的屈 处，且垂直于轴线.2005年9月检修期间发现年初 服应力660MPa·为了承受较大的负荷，该传动轴采 更换的新R2下传动轴出现12处裂纹，裂纹轴向及 用了特定结构（见图1），即在传动轴的中部增加了 周向分布部位与断轴发生的截面相同，即裂纹分布 平衡传动轴重量的托架，托架上镶有轴承与传动轴 都位于R2下传动轴中部支撑缩颈距离轴承止推截 相联接，托架向上的平衡力由支持托架的推力油缸 面约12mm外圆上，最长裂纹达150mm,次长裂纹 施加，传动轴的结构决定了它的受力不仅仅是只承 60mm,其余3~20mm不等.将60mm的裂纹用砂 受扭矩的作用而且还要承受来自平衡自重的托架托 轮打磨，打磨到20mm深度时裂纹长度为46mm,由 力（由托起油缸施加）引起的弯矩作用，即该R2下 于砂轮机不能再深入，实际深度只能估计，但经传动 传动轴受弯、扭应力的综合作用，为了分析传动轴 轴内部（传动轴为空心轴，内圆713mm)确认，没有 断轴和裂纹发生处的弯扭应力，建立了传动轴薄弱 发现贯穿的痕迹.本文以R2粗轧机下传动轴为研 区段弯扭应力有限元分析模型 究对象，采用Marc有限元软件，建立了传动轴薄弱 区段三维有限元模型]，进行了弯扭应力分析，提 出了具有裂纹传动轴的加固措施， 1有限元模型的建立 普通轧机的传动轴受力情况一般是一端承受电 机的扭矩，另一端承受来自工作辊上轧制力所导致 图1R2粗轧机传动轴系统特定拖架结构示意图 收稿日期：2006-02-20修回日期：2006-09-28 Fig.I Schematic diagram of special supporting structures for the 基金项目：北京科技大学科技发展专项基金资助项目(N。 main drive spindle system in R2 roughing mill 20050311890) 作者简介：魏钢城(1962一)，男，博士研究生；曹建国(1971一)， 1.1模型尺寸的确定 男，副教授，博士 传动轴长度为1055mm,最大直径915mm,内
热轧带钢 R2粗轧机下主传动轴断裂 有限元分析与应用 魏钢城12） 曹建国1） 张 杰1） 戴江波2） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 武汉钢铁（集团）公司武汉430083 摘 要 以某2250热轧带钢厂 R2粗轧机承受较大载荷的下主传动轴为研究对象采用 Marc 软件建立了该传动轴薄弱区段 弯扭应力分析三维有限元模型．扭转、弯曲和弯扭联合作用等不同载荷条件的有限元分析表明：不同工况下传动轴在托架支 持的局部轴段的缩颈导致该处应力比非缩颈处的应力增加约60％；异常扭矩是造成传动轴产生裂纹和断轴的主要原因；采取 将传动轴缩颈区段改为实心区段的加固措施可减小最大扭矩应力值21％．改进后的具有裂纹的传动轴已成功应用于粗轧机 的正常轧钢生产． 关键词 热轧；粗轧机；主传动轴；有限元法 分类号 TG333∙72 收稿日期：2006-02-20 修回日期：2006-09-28 基金 项 目：北 京 科 技 大 学 科 技 发 展 专 项 基 金 资 助 项 目 （ No． 20050311890） 作者简介：魏钢城（1962—）男博士研究生；曹建国（1971—） 男副教授博士 2003年3月29日建成投产的某钢厂二热轧 2250热连轧机是目前国内产量最大、轧制宽度最大 的热连轧机［1］．从国外引进的该带钢轧机机组的 R2粗轧机为二辊可逆式轧机在2005年1月29日 R2轧机发生下传动轴断轴事故断轴断面位于传动 轴中部支撑缩颈距离轴承止推截面约12mm 截面 处且垂直于轴线．2005年9月检修期间发现年初 更换的新 R2下传动轴出现12处裂纹裂纹轴向及 周向分布部位与断轴发生的截面相同即裂纹分布 都位于 R2下传动轴中部支撑缩颈距离轴承止推截 面约12mm 外圆上最长裂纹达150mm次长裂纹 60mm其余3～20mm 不等．将60mm 的裂纹用砂 轮打磨打磨到20mm 深度时裂纹长度为46mm由 于砂轮机不能再深入实际深度只能估计但经传动 轴内部（传动轴为空心轴内圆●713mm）确认没有 发现贯穿的痕迹．本文以 R2粗轧机下传动轴为研 究对象采用 Marc 有限元软件建立了传动轴薄弱 区段三维有限元模型［1—4］进行了弯扭应力分析提 出了具有裂纹传动轴的加固措施． 1 有限元模型的建立 普通轧机的传动轴受力情况一般是一端承受电 机的扭矩另一端承受来自工作辊上轧制力所导致 的扭矩两个扭矩相互平衡从而使传动轴起到将电 机扭矩传递给工作辊的作用［5—6］．由于该 R2轧机 轧制 钢 种 多 为 高 强 钢其 带 钢 屈 服 应 力 都 在 500MPa以上是普通钢的2倍以上［7］因此轧机的 力能参数较大．其中传动轴的基本力能参数为：许 用扭矩6300kN·m最大扭矩13200kN·m轴的屈 服应力660MPa．为了承受较大的负荷该传动轴采 用了特定结构（见图1）即在传动轴的中部增加了 平衡传动轴重量的托架托架上镶有轴承与传动轴 相联接托架向上的平衡力由支持托架的推力油缸 施加．传动轴的结构决定了它的受力不仅仅是只承 受扭矩的作用而且还要承受来自平衡自重的托架托 力（由托起油缸施加）引起的弯矩作用即该 R2下 传动轴受弯、扭应力的综合作用．为了分析传动轴 断轴和裂纹发生处的弯扭应力建立了传动轴薄弱 区段弯扭应力有限元分析模型． 图1 R2粗轧机传动轴系统特定拖架结构示意图 Fig．1 Schematic diagram of special supporting structures for the main drive spindle system in R2roughing mill 1∙1 模型尺寸的确定 传动轴长度为1055mm最大直径●915mm内 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．015
第5期 魏钢城等：热轧带钢R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 .509 圆为498.5mm,轴与轴承相配处外圆直径为 轴承内圈相接触的外表面上，最大应力中心距离轴 775mm,即该处的壁厚为138.25mm(本模型在轴 承止推截面12.5mm,与实际裂纹发生部位相符 与轴承相配处没有考虑倒角等细微尺寸)·当不考 另外，从轴向应力分布图可以看出，传动轴在受扭作 虑弯曲应力仅仅考虑轴只承受扭矩作用且所有外力 用下，其应力沿轴向的分布除薄弱区段有变化外，其 都以支撑托架中心截面为对称面时（该面由于载荷 余轴段应力相同， 的对称性，截面在应力应变的关系中具有中性层的 2.2传动轴受弯条件下等效应力 意义即应力应变均应为零)，轴支撑托架中心截面施 传动轴受弯条件应力分析模型与受扭模型结构 加固定约束和另一断面施加扭矩，材料模型选为 相同，不同的是在轴的载荷截面上施加x正方向的 42CrMo的材料模型3]. 集中力，集中力与模型长度的乘积之和等于 模型采用在断轴界面处沿轴向进行网格细化到 6300kNm,即与扭矩载荷相等：最大应力分别出现 0.2mm后去掉相应裂纹的单元数来进行仿真，计算 在轴与轴承内圈相接触的中心外表面和距离轴承止 了具有长60mm、深50mm裂纹的传动轴和具有长 推截面12.5mm的外表面上，且最大应力并不是分 150mm、深85mm裂纹的传动轴最大应力 布在整个圆环上，而仅仅分布在两个相同的园弧上 1.2固定端面与载荷截面的确定 (见图3和图4)：最大应力达到240.2MPa,已经超 模型中，轴的固定约束只能是在受力对称的中 过在相同扭矩作用下的最大应力值，且弯矩的大小 心截面（便于计算在轴两端施加弯扭力矩的计算）或 还应考虑弯矩力作用点到轴中心截面的长度尺寸， 者两端截面（便于计算在轴中心截面施加弯曲力的 模型当中仅仅使用了最短的长度尺寸，因而轴的弯 计算)·前者为本文选取的固定约束形式，其特定条 曲应力比轴的扭矩应力更具有危险性， 件是载荷必须关于中心截面对称，优点为轴的长度 尺寸可以灵活确定，便于有限元软件建立相对节点 2.402×10P 2.172×10 较少且适合现有计算机计算能力的模型；后者有利 1941×10P 于计算油缸的托起力引起的轴弯曲应力，但考虑到 1.710×10 1.480×102 轴的长度尺寸较大，如果按照实际长度建立有限元 1249×10 模型，模型节点数将超出计算机计算能力，因此两端 1018×10P 截面约束为不适宜的固定约束方式，考虑模型的对 7878×10 5.572×10 称性，最终确定的模型如图2所示， 3.265×101 9590×10° 图3设计轴受弯三维应力分布图 Fig.3 3D stress distribution field of the drive spindle under bend- ing 2.402×10 2.172×10 1.941×10 1.710×102 1.480×10 1249×10 图2传动轴有限元分析模型 1018×10 Fig-2 Finite element model of the main drive spindle 7.878×101 5.572×10 2传动轴受弯扭作用的等效应力分析 3265×10 9.590×10㎡ 2.1传动轴受扭条件下等效应力 由传动轴在6300kNm扭矩条件下有限元分 图4设计轴受弯应力分布切片图 析三维等效应力分布图]可知：最小应力约 Fig.4 Stress slice field of the drive spindle under bending 27MPa,最大应力达到196.1MPa,最大应力在轴与 由于传动轴的应力应变在线弹性范围以内，轴
圆为 ●498∙5mm轴 与 轴 承 相 配 处 外 圆 直 径 为 ●775mm即该处的壁厚为138∙25mm（本模型在轴 与轴承相配处没有考虑倒角等细微尺寸）．当不考 虑弯曲应力仅仅考虑轴只承受扭矩作用且所有外力 都以支撑托架中心截面为对称面时（该面由于载荷 的对称性截面在应力应变的关系中具有中性层的 意义即应力应变均应为零）轴支撑托架中心截面施 加固定约束和另一断面施加扭矩．材料模型选为 42CrMo 的材料模型［3］． 模型采用在断轴界面处沿轴向进行网格细化到 0∙2mm 后去掉相应裂纹的单元数来进行仿真计算 了具有长60mm、深50mm 裂纹的传动轴和具有长 150mm、深85mm 裂纹的传动轴最大应力． 1∙2 固定端面与载荷截面的确定 模型中轴的固定约束只能是在受力对称的中 心截面（便于计算在轴两端施加弯扭力矩的计算）或 者两端截面（便于计算在轴中心截面施加弯曲力的 计算）．前者为本文选取的固定约束形式其特定条 件是载荷必须关于中心截面对称优点为轴的长度 尺寸可以灵活确定便于有限元软件建立相对节点 较少且适合现有计算机计算能力的模型；后者有利 于计算油缸的托起力引起的轴弯曲应力但考虑到 轴的长度尺寸较大如果按照实际长度建立有限元 模型模型节点数将超出计算机计算能力因此两端 截面约束为不适宜的固定约束方式．考虑模型的对 称性最终确定的模型如图2所示． 图2 传动轴有限元分析模型 Fig．2 Finite element model of the main drive spindle 2 传动轴受弯扭作用的等效应力分析 2∙1 传动轴受扭条件下等效应力 由传动轴在6300kN·m 扭矩条件下有限元分 析三 维 等 效 应 力 分 布 图［8—9］ 可 知：最 小 应 力 约 27MPa最大应力达到196∙1MPa最大应力在轴与 轴承内圈相接触的外表面上最大应力中心距离轴 承止推截面12∙5mm与实际裂纹发生部位相符． 另外从轴向应力分布图可以看出传动轴在受扭作 用下其应力沿轴向的分布除薄弱区段有变化外其 余轴段应力相同． 2∙2 传动轴受弯条件下等效应力 传动轴受弯条件应力分析模型与受扭模型结构 相同不同的是在轴的载荷截面上施加 x 正方向的 集中 力集 中 力 与 模 型 长 度 的 乘 积 之 和 等 于 6300kN·m即与扭矩载荷相等；最大应力分别出现 在轴与轴承内圈相接触的中心外表面和距离轴承止 推截面12∙5mm 的外表面上且最大应力并不是分 布在整个圆环上而仅仅分布在两个相同的园弧上 （见图3和图4）；最大应力达到240∙2MPa已经超 过在相同扭矩作用下的最大应力值且弯矩的大小 还应考虑弯矩力作用点到轴中心截面的长度尺寸 模型当中仅仅使用了最短的长度尺寸因而轴的弯 曲应力比轴的扭矩应力更具有危险性． 图3 设计轴受弯三维应力分布图 Fig．3 3－D stress distribution field of the drive spindle under bending 图4 设计轴受弯应力分布切片图 Fig．4 Stress slice field of the drive spindle under bending 由于传动轴的应力应变在线弹性范围以内轴 第5期 魏钢城等： 热轧带钢 R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 ·509·
,510 北京科技大学学报 第29卷 的质量为21600kg,由自重引起的弯矩大小为 660MPa,传动轴已经屈服并且进入塑性受力状态， 216000/2(两端均分重量)×2（重力作用点到中心 因此易在应力最大截面处出现裂纹， 截面的距离)Nm=216kNm,远远小于扭矩的作 用，该弯矩引起的应力为8.24MPa. 1981×10F 2.3传动轴受弯扭共同作用下的等效应力 1808×10F 当传动轴承受6300kNm扭矩（传动轴的许用 1.636×10 1.463×10 力矩)和216kNm弯矩（传动轴自重引起的弯曲力 1291×10P 矩)时，最大应力值为198.1MPa,出现的部位与只 1118×10P 受6300kNm扭矩下的相同，只是应力值增加了 19459×10 2MPa,因而，两者的作用效果不是简单的线性迭加 7734×10 关系.如果传动轴承受12600kN·m扭矩和 6.009×10 4.285×10 432kNm弯矩（由托起油缸施加的过平衡力为 2.560×10 432kN)的共同作用时，即传动轴承受最大扭矩和最 大弯矩时，轴的等效应力分布不变，最大值为 图6传动轴受弯扭应力分布切片图 396.2MPa,该应力值仍然没有达到材料的屈服应 Fig.6 Stress slice field of the drive spindle under bend and torsion 力 图5和图6分别为传动轴受弯扭三维应力分布 3裂纹传动轴加固措施及有限元分析 图和应力分布切片图.由图可知，传动轴由自重与 托起油缸支持力作用而引起的弯曲应力较小，不到 原设计传动轴支持轴承接触区段与两端轴焊接 最大等效应力的1%；而由正常传动轴的许用扭矩 联接，如果将该区段的空心轴改为实心轴再焊接联 作用引起的等效应力远远大于传动轴自重引起的弯 接后，进行该区段为实心条件下仅受扭矩 6300kNm作用的有限元仿真分析可知：最大应力 1.981×10 的分布基本不变，但最大应力只有155.4MPa,与原 1808×10P 1.636×10 设计传动轴最大应力196.1MPa相比减小了 1463×10P 20.75%.现有裂纹轴在缩颈区段采取加固改进措 1291×10 施的区域图见图7.即在心轴与传动轴缩颈区具有 1118×10P 2mm间隙，在缩颈区心轴两端与传动轴之间依靠斜 9459×10 7.734×10 锲环联接，斜锲环依靠两端的紧固螺杆预紧力加固； 609x10 因而在扭矩传动销的作用下，心轴、斜锲环、扭矩传 4285×10 动销、传动轴成为一个扭矩传动的整体.在仅受扭 2.560×10 矩6300kNm作用的仿真模型当中，将加固改进的 传动轴视为一个扭矩传动的整体。计算结果显示： 图5传动轴受弯扭三维应力分布图 在轴与轴承内圈相接触的外表面上，较大应力中心 Fig.5 3-D stress distribution field of the drive spindle under bend 距离轴承止推截面12.9mm,其大小为176.6MPa and torsion (见图8和9)，与原空心轴计算结果相比减小 曲应力，可以确定导致传动轴出现裂纹，并最终发 9.94%.另外，计算了具有长60mm、深50mm裂纹 生断轴事故的原因是轴承受了巨大的冲击扭矩（如 的传动轴和具有长150mm深85mm裂纹的传动轴 轧件出现较大扣头导致工作辊在轧件之间打滑引起 最大应力，计算结果表明，在许用力矩6300kNm 传动系统的扭振)所致10山，因为扭振发生时扭矩 下60mm长裂纹产生的最大应力将是无裂纹传动 的振动峰值最大可以达到额定值的5倍以上[10]，此 轴最大应力的1.1362倍，150mm长裂纹产生的最 时轴断处的米塞斯应力按照弹性理论计算可以达到 大应力将是无裂纹传动轴最大应力的1.3921倍. 原应力值的5倍以上，即196.1×5MPa= 采取该加固改进措施的传动轴截止2006年9月已 980.5MPa,该应力已经超出传动轴的屈服应力 经投入R2粗轧机生产近1年，且运行正常
的质量为 21600kg由自重引起的弯矩大小为 216000／2（两端均分重量）×2（重力作用点到中心 截面的距离）N·m＝216kN·m远远小于扭矩的作 用该弯矩引起的应力为8∙24MPa． 2∙3 传动轴受弯扭共同作用下的等效应力 当传动轴承受6300kN·m 扭矩（传动轴的许用 力矩）和216kN·m 弯矩（传动轴自重引起的弯曲力 矩）时最大应力值为198∙1MPa出现的部位与只 受6300kN·m 扭矩下的相同只是应力值增加了 2MPa．因而两者的作用效果不是简单的线性迭加 关系．如 果 传 动 轴 承 受 12600kN·m 扭 矩 和 432kN·m弯矩 （由托起油缸施加的过平衡力为 432kN）的共同作用时即传动轴承受最大扭矩和最 大弯 矩 时轴 的 等 效 应 力 分 布 不 变最 大 值 为 396∙2MPa该应力值仍然没有达到材料的屈服应 力． 图5和图6分别为传动轴受弯扭三维应力分布 图和应力分布切片图．由图可知传动轴由自重与 托起油缸支持力作用而引起的弯曲应力较小不到 最大等效应力的1％；而由正常传动轴的许用扭矩 作用引起的等效应力远远大于传动轴自重引起的弯 图5 传动轴受弯扭三维应力分布图 Fig．5 3－D stress distribution field of the drive spindle under bend and torsion 曲应力．可以确定导致传动轴出现裂纹并最终发 生断轴事故的原因是轴承受了巨大的冲击扭矩（如 轧件出现较大扣头导致工作辊在轧件之间打滑引起 传动系统的扭振）所致［10—11］．因为扭振发生时扭矩 的振动峰值最大可以达到额定值的5倍以上［10］此 时轴断处的米塞斯应力按照弹性理论计算可以达到 原 应 力 值 的 5 倍 以 上即 196∙1×5 MPa ＝ 980∙5MPa 该应力已经超出传动轴的屈服应力 660MPa传动轴已经屈服并且进入塑性受力状态 因此易在应力最大截面处出现裂纹． 图6 传动轴受弯扭应力分布切片图 Fig．6 Stress slice field of the drive spindle under bend and torsion 3 裂纹传动轴加固措施及有限元分析 原设计传动轴支持轴承接触区段与两端轴焊接 联接如果将该区段的空心轴改为实心轴再焊接联 接 后进 行 该 区 段 为 实 心 条 件 下 仅 受 扭 矩 6300kN·m作用的有限元仿真分析可知：最大应力 的分布基本不变但最大应力只有155∙4MPa与原 设计 传 动 轴 最 大 应 力 196∙1 MPa 相 比 减 小 了 20∙75％．现有裂纹轴在缩颈区段采取加固改进措 施的区域图见图7．即在心轴与传动轴缩颈区具有 2mm 间隙在缩颈区心轴两端与传动轴之间依靠斜 锲环联接斜锲环依靠两端的紧固螺杆预紧力加固； 因而在扭矩传动销的作用下心轴、斜锲环、扭矩传 动销、传动轴成为一个扭矩传动的整体．在仅受扭 矩6300kN·m 作用的仿真模型当中将加固改进的 传动轴视为一个扭矩传动的整体．计算结果显示： 在轴与轴承内圈相接触的外表面上较大应力中心 距离轴承止推截面12∙9mm其大小为176∙6MPa （见图 8 和 9）与原空心轴计算结果相比减小 9∙94％．另外计算了具有长60mm、深50mm 裂纹 的传动轴和具有长150mm 深85mm 裂纹的传动轴 最大应力．计算结果表明在许用力矩6300kN·m 下60mm 长裂纹产生的最大应力将是无裂纹传动 轴最大应力的1∙1362倍150mm 长裂纹产生的最 大应力将是无裂纹传动轴最大应力的1∙3921倍． 采取该加固改进措施的传动轴截止2006年9月已 经投入 R2粗轧机生产近1年且运行正常． ·510· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 魏钢城等：热轧带钢R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 .511, 150 1910 150 20 1870 20 1250 850 00 Φ110H7 485 300 650 165 190 840186 S8650 815550 190 >:5 430 140 430 图7主传动轴加固措施结构图（单位：mm) Fig.7 Improved strengthening structure of the main drive spindle (unit:mm) 4 结论 1963×10P 1.766×10 (1)计算显示的最高应力集中区域正是传动轴 1.570×10 1374×10 产生裂纹和断轴截面的区域，且该区域是传动轴率 1.178×10 先产生疲劳点蚀和剥皮区域，因此验证本计算模型 9.813×10 7850×101 结果正确可信 5887×10 (2)由于设计传动轴在托起支架支持的局部轴 3924×10 1.961×10 段外圆直径尺寸的突然减小（缩颈），导致了传动轴 1.942×102 在该处出现应力集中，所有工况计算结果均反映传 动轴在缩颈部位应力集中，尽管缩颈处内径减小了 图8传动轴采取加固措施后受扭三维应力分布图 40mm即轴厚度增加了40mm,缩颈处比非缩颈处 Fig.8 3-D stress distribution field of the improved spindle under 的应力普遍增加60%左右，将传动轴缩颈区段改为 torsion 实心区段可以减小最大扭矩应力值20%左右 (3)在许用扭矩和传动轴自重引起的弯矩条件 1963×10 下产生的应力为198.1MPa,而仅仅在许用扭矩作 1766×10 1.570×10序 用下产生的应力就已经达到196.1MPa;也就是说， 1374×10 由于传动轴重量等引起的弯曲应力仅为总应力的 1178×10 9813×10 1%左右，而许用扭拒作用达到的应力为总应力的 7850×10 99%,因此认为扭矩是造成传动轴产生裂纹和断轴 5887×10 3924×10 的根本原因， 1961×10 (4)在轧机传动系统扭振时，传动轴在托起支 1942×10 架支持的局部轴段支持轴承有时不能完全跟随传动 轴急停与急加速进行响应，导致该处成为薄弱区段， 图9传动轴采取加固措施后轴受扭应力分布切片图 也是应力在该处集中的另一个原因，因此该处轴承 Fig.9 Stress slice field of the improved spindle under torsion 运转状况的好坏和减小生产当中出现的较大扭矩冲
图7 主传动轴加固措施结构图（单位：mm） Fig．7 Improved strengthening structure of the main drive spindle （unit： mm） 图8 传动轴采取加固措施后受扭三维应力分布图 Fig．8 3－D stress distribution field of the improved spindle under torsion 图9 传动轴采取加固措施后轴受扭应力分布切片图 Fig．9 Stress slice field of the improved spindle under torsion 4 结论 （1） 计算显示的最高应力集中区域正是传动轴 产生裂纹和断轴截面的区域且该区域是传动轴率 先产生疲劳点蚀和剥皮区域因此验证本计算模型 结果正确可信． （2） 由于设计传动轴在托起支架支持的局部轴 段外圆直径尺寸的突然减小（缩颈）导致了传动轴 在该处出现应力集中所有工况计算结果均反映传 动轴在缩颈部位应力集中尽管缩颈处内径减小了 40mm 即轴厚度增加了40mm缩颈处比非缩颈处 的应力普遍增加60％左右．将传动轴缩颈区段改为 实心区段可以减小最大扭矩应力值20％左右． （3） 在许用扭矩和传动轴自重引起的弯矩条件 下产生的应力为198∙1MPa而仅仅在许用扭矩作 用下产生的应力就已经达到196∙1MPa；也就是说 由于传动轴重量等引起的弯曲应力仅为总应力的 1％左右而许用扭拒作用达到的应力为总应力的 99％因此认为扭矩是造成传动轴产生裂纹和断轴 的根本原因． （4） 在轧机传动系统扭振时传动轴在托起支 架支持的局部轴段支持轴承有时不能完全跟随传动 轴急停与急加速进行响应导致该处成为薄弱区段 也是应力在该处集中的另一个原因．因此该处轴承 运转状况的好坏和减小生产当中出现的较大扭矩冲 第5期 魏钢城等： 热轧带钢 R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 ·511·
.512. 北京科技大学学报 第29卷 击峰值同样极为重要. [4]曹建国，张杰，陈先霖，等。热轧带钢板形板厚耦合特性变化 (5)采取防护措施后，可以有效防止裂纹扩展 机理与参数求解.北京科技大学学报.2001,23(5)：452 [5]镰田正诚.板带连续轧制.北京：冶金工业出版社，2002 造成主轴断裂后对周围设备产生伤害，在无裂纹情 [6]日本钢铁协会.王国栋，吴国良，译.板带轧制理论与实践 况下，加固轴与原传动轴相比缩颈部位最大扭矩应 北京：中国铁道出版社，1990 力可相对减少9.94%.但是加固改进后的传动轴最 [7]Takano.Endless hot strip rolling at Kawasaki Steel Chiba Works. 高应力区仍然在原裂纹附近，因此该局部区域仍然 Iron Steel Eng.1997.74(2):41 是传动轴的薄弱环节. [8]邹家祥.轧钢机械.北京：治金工业出版社，1989 [9]Salganik V.Mathematical modeling of roll load and deformation in 参考文献 a four-high strip mill.J Mater Process Technol.2002.125/126; 695 [1]Cao JG.Zhang J.Chen X L.et al.Control of roll contour for [10]Whight J.Mill drive system to minimize torque amplification. strip profile and flatness in hot rolling//44th Mechanical Working Iron Steel Eng:1976,53(7):58 and Steel Processing Conference Proceeding-Florida.2002:1001 [11]Knight C W.Hardy S J.Lees A W,et al.Influence of roll [2]Ginzburg V B.High quality Steel Rolling:Theory and Practice. speed mismatch on strip curvature during the roughing stages of New York:Dekker Ine,1993 a hot rolling mill.J Mater Process Technol.2005.168:184 [3]陈火红，Marc有限元实例分析教程.北京：机械工程出版社， 2003 Breakage mechanism and application of the bottom main drive spindle in a R2 roughing mill during hot rolling by finite element analysis WEI Gangcheng),CAO Jianguo,ZHANG Jie,DAI Jiangbo2) 1)Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Wuhan Iron and Steel Company.Wuhan 430083,China ABSTRACI With special supporting structure for heavy loading,a bottom main drive spindle s breakage ap- pears in strip production of the R2 roughing stand in a 2250 mm hot strip mill.Based on the Marc software package,a 3-dimensional finite element model was constructed to analyze the combined bend and torsion stress state of a bottom main drive spindle in the R2 roughing mill.Under different loading situations of torsion,bend- ing or both them,the results of finite element analysis show that the stress in the special supporting area is greater 60%than that in other normal areas of the spindle in different computing cases.It is also shown that torque is the main reason leading to cracking and breakage of the spindle.The maximum stress in the main drive spindle supporting area after replacing original hollow structure with improved solid structure is reduced by 21%0.The reinforced main drive spindle was successfully applied in production of the roughing mill. KEY WORDS hot rolling:roughing mill;main drive spindle;finite element method
击峰值同样极为重要． （5） 采取防护措施后可以有效防止裂纹扩展 造成主轴断裂后对周围设备产生伤害．在无裂纹情 况下加固轴与原传动轴相比缩颈部位最大扭矩应 力可相对减少9∙94％．但是加固改进后的传动轴最 高应力区仍然在原裂纹附近因此该局部区域仍然 是传动轴的薄弱环节． 参 考 文 献 ［1］ Cao J GZhang JChen X Let al．Control of roll contour for strip profile and flatness in hot rolling∥44th Mechanical Working and Steel Processing Conference Proceeding．Florida2002：1001 ［2］ Ginzburg V B．High-quality Steel Rolling：Theory and Practice． NewYork：Dekker Inc1993 ［3］ 陈火红．Marc 有限元实例分析教程．北京：机械工程出版社 2003 ［4］ 曹建国张杰陈先霖等．热轧带钢板形板厚耦合特性变化 机理与参数求解．北京科技大学学报200123（5）：452 ［5］ 镰田正诚．板带连续轧制．北京：冶金工业出版社2002 ［6］ 日本钢铁协会．王国栋吴国良译．板带轧制理论与实践． 北京：中国铁道出版社1990 ［7］ Takano．Endless hot strip rolling at Kawasaki Steel Chiba Works． Iron Steel Eng199774（2）：41 ［8］ 邹家祥．轧钢机械．北京：冶金工业出版社1989 ［9］ Salganik V．Mathematical modeling of roll load and deformation in a four-high strip mill．J Mater Process Technol2002125／126： 695 ［10］ Whight J．Mill drive system to minimize torque amplification． Iron Steel Eng197653（7）：58 ［11］ Knight C WHardy S JLees A Wet al．Influence of roll speed mismatch on strip curvature during the roughing stages of a hot rolling mill．J Mater Process Technol2005168：184 Breakage mechanism and application of the bottom main drive spindle in a R2 roughing mill during hot rolling by finite element analysis WEI Gangcheng 12）CAO Jianguo 1）ZHA NG Jie 1）DAI Jiangbo 2） 1） Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Wuhan Iron and Steel CompanyWuhan430083China ABSTRACT With special supporting structure for heavy loadinga bottom main drive spindle’s breakage appears in strip production of the R2roughing stand in a2250mm hot strip mill．Based on the Marc software packagea3-dimensional finite element model was constructed to analyze the combined bend and torsion stress state of a bottom main drive spindle in the R2roughing mill．Under different loading situations of torsionbending or both themthe results of finite element analysis show that the stress in the special supporting area is greater60％ than that in other normal areas of the spindle in different computing cases．It is also shown that torque is the main reason leading to cracking and breakage of the spindle．The maximum stress in the main drive spindle supporting area after replacing original hollow structure with improved solid structure is reduced by 21％．The reinforced main drive spindle was successfully applied in production of the roughing mill． KEY WORDS hot rolling；roughing mill；main drive spindle；finite element method ·512· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
