H型钢万能轧机辊轴断裂分析

摘 要：通过对辊轴断裂面的检查和辊轴危险截面强度的校核，分析了万能轧机辊轴断裂的原因，并提出了提高辊轴强度的措施。

关键词：H型钢；断裂面；强度校核；辊轴断裂

1 前言

马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂H型钢分厂建有年产60万tH型钢生产线。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辊轴断裂分析

2．1辊轴断裂统计

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断裂形成原因

2．2．1断裂部位及断口形式

(1)断裂位置：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)断口形式：基本上是齐断口，个别断轴有向辊芯45⁰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断辊原因

从断裂面水印判断断辊原因：

(1)断口无明显水印，齐断口或45⁰斜向断口：当新产品规格调试或轧制低温钢及咬人不良时，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。

3辊轴危险截面(R圆角处)强度校核

3．1 辊轴R圆角处受力分析

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。

3．2危险截面抗拉强度校核

H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P_m=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=P_m۰S=5696.4kN

(1)计算危险截面弯矩M_σ：

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)计算危险截面扭转力矩Mτ：

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=O．4Ld。

a=0．5√R△h=0．027m

Mτ=153．64kN·m

计算辊颈圆角尺处弯曲应力及扭转应力的合成应力：

M_σ

σ=---------=108.65MPa

0.1d³

Mτ

τ=--------- =23.44MPa

0.2d³

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=116MPa

合金锻钢辊：σ_b=700～750MPa，许用应力R_b=140～150MPa。

可见，辊颈的理论强度满足生产实际需求。

3．3 危险截面疲劳强度安全系数校核

危险截面安全系数校核：

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;ε_σ、ε_τ分别为弯曲、扭转的尺寸影响系数，查表取值分别为O．54、O．60；φ_σ、φ_τ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；σ_a、σ_m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;τ_a、τ_m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 结语

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、提高其组织纯净度，要求生产厂家在成分配制、冶炼、锻造工序方面采取措施，使轧辊组织性能得到提高；二是控制辊轴表面硬度为标准范围的下限，并需足够的辊轴时效期，以便消除内应力；三是生产中杜绝轧制低温钢，合理分配压下量，尽量减少辊轴负荷。