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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