二辊轧机联轴器连接螺栓断裂事故分析鞍山钢铁学院徐泽宁王德斌宋华鞍山钢铁公司吴国颜张万斌摘 要以实测为根据，对二辊不可逆轧机主传动系统联轴器上的连接螺栓进行了受力分析和理论计算， 找出了连接螺栓的断裂原因。叙词二辊轧机联轴器螺栓ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｐ ｒａｃｔｉｃａｌｄａｔａ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｏｎｎｅ ｃｔｉｎｇｂｏｌｔ，ｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎｔｈｅｍａｉｎｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｏｆ２－ｈｉｇｈｍｉｌ，ｕｎｄｅｒｓｔｒｅｓｓａｎｄｃａｒｉｅｄｏｕｔａｔ ｈｅｏｒｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｔｈｅｒｅａｓｏｎｆ ｏｒｔｈｅｂｒｅａｋａｇｅｏｆｔｈｅｂｏｌｔｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄｏｕｔ．Ｄｅｓｃｒ ｉｐｔｏｒｓ２－ｈｉｇｈｍｉｌ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｂｏｌｔ二辊轧机中的联轴器螺栓经常断 裂从而影响了正常生产。本文对此故障作了进一步分析和诊断。二辊轧机的主传统系统如图１所示 。图１二辊薄板轧机主传动示意图１．机架２．轧辊３．梅花接轴４．主轴托架５．主轴６．奥特 曼接手７．减速机８．测扭矩和弯矩贴片位置１联轴器的受力分析联轴器（见图２）的两半接手由 ８个联接螺栓联接，联接面间有８个楔铁（减载键）。从结构上看，截面间传递的扭矩主要由楔铁 完成。在联接螺栓断裂时，楔铁并没有损坏。由图２１．半接手１２．安全螺栓３．轴套４．连接 螺栓５．半接手２６．楔铁此说明联接螺栓的断裂不是由扭矩引起的。从实测参数中知道，截面上 还存在着弯矩Ｍｅ＝８３０．９６ｋＮ·ｍ（Ｍｅ为实测值中最大弯矩Ｍｃ推导出来的参数）。由 结构可看出，联接螺栓除受工作载荷作用外，还存在预紧力Ｑｐ。８个联接螺栓瞬间载荷分布如图 ３所示，图中Ｆａ、Ｆｂ…代表联接螺栓瞬间拉伸外载荷。由此图可看出，当联轴器旋转一周时， 每个联接螺栓都曾经历一次同样的分布载荷。Ｆａ、Ｆｂ…与Ｍｅ的瞬间关系由力矩平衡可知（以 ｅ点为支点）Ｍｅ＝Ｆａ·Ｌ＋２Ｆｂ（ｌ１＋ｌ２）＋２Ｆｃ（ｌ１＋ｌ２）＋２Ｆｂ·ｌ１由 图３ａ中几何关系可知：Ｌ＝１４２５ｍｍ；Ｌ１＝２０８．６９ｍｍ；Ｌ２＝５０３．８１ｍｍ 。假设Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ与Ｆａ之间呈线性关系，则２Ｆｂ＝０．８５４Ｆａ；Ｆｃ＝０．５Ｆａ ；２Ｆｄ＝０．１４６Ｆａ将上述参数代入上式中，则Ｆａ＝Ｍｅ２８４５．３８３＝８３０．９ ０×１０６２８４５．３８３≈２９２．０２ｋＮ。图３联接螺栓瞬时承载图２单个联接螺栓的受 力分析联接螺栓的材质为Ｑ２３５Ｂ，假设联轴器上每个联接螺栓的预紧力Ｑｐ均相等。在装配时 ，一般规定拧紧后螺纹联接件的预紧应力不能大于其材料屈服极限σｓ的８０％，碳素钢螺栓预紧 力限值为：Ｑｐ＝０．６５σｓ·Ａｓ（Ｎ）。取螺栓材料的屈服极限σｓ＝２４０ＭＰａ，螺纹 公称应力截面积Ａｓ＝π４ｄ２＋ｄ３２２，查手册得：Ａｓ＝２６８０ｍｍ２，则Ｑｐ＝０．６ ５×２４０×２６８０＝４１８．０８ｋＮ。每个螺栓受有预紧力Ｑｐ，当承受轴向工作载荷Ｆ后 ，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力Ｑｐ和工作拉力Ｆ之和。而与 Ｑｐ、Ｆ和螺栓刚度ＣＦ、被联接件刚度ＣＬ有关。图４为联轴器上一个螺栓联接的受力与变形情 况。图４ａ为螺母刚好拧到与被联接件相接触。此时螺栓和被联接件均未受力，尚未产生变形。当 拧紧后（图４ｂ），在Ｑｐ的作用下，螺栓产生伸长变形δＬ，被联接件产生压缩变形δＦ。根据 静力平衡。虽然螺栓所受拉力与被联接件所受压力大小相等，但二者刚度不同，所以δＬ≠δＦ。 当螺栓受到轴向工作载荷Ｆ后（图４ｃ），螺栓受的拉力增加，相应变形的增量为ΔδＬ，螺栓总 的伸长变形为δＬ＋ΔδＦ。与此同时，预紧后受压的两半接手件，因螺栓伸长而被放松，其压缩 量也随之减少ΔδＦ。根据变形协调条件可知ΔδＦ＝ΔδＬ，此时螺栓受力由Ｑｐ增至Ｑ，被联 接件受力由Ｑｐ减少为Ｑ′ｐ（剩余预紧力）。从而可知，紧螺栓联接受轴向载荷后，由于Ｑｐ变 为Ｑ′ｐ，所以螺栓受的总拉力Ｑ等于剩余预紧力Ｑ′ｐ与工作拉力Ｆ之和。单个紧螺栓联接受力 变形如图５所示。图４单个螺栓联接的受力变形图图５单个紧螺栓联接受力变形图Ｑ＝Ｑ′ｐ＋Ｆ （１）螺栓总拉力Ｑ的另一种表达式可从图５导出：ｔｇγＬ＝ＱｐδＬ＝ＣＬ（螺栓的刚度）ｔ ｇγＦ＝ＱｐδＦ＝ＣＦ（两半接手的刚度）Ｑｐ＝Ｑ′ｐ＋（Ｆ＋ΔＦ）（２）ΔＦ＝ΔδＬ· ｔｇγＬ＝ΔδＬ·ＣＬＦ－ΔＦ＝ΔδＦ·ｔｇγＦ＝ΔδＦ·ＣＧ且ΔδＬ＝ΔδＦ所以ΔＦ Ｆ－ΔＦ＝ＣＬＣＦ经整理ΔＦ＝ＣＬＣＬ＋ＣＦ·Ｆ（３）将（３）代入（２）中Ｑｐ＝Ｑ′ｐ ＋１＋ＣＬＣＬ＋ＣＦ·Ｆ＝Ｑ′ｐ＋ＣＦＣＬ＋ＣＦ·Ｆ（４）那么，螺栓的总拉力Ｑ等于：Ｑ ＝Ｑｐ＋ΔＦ＝ＱｐＣＬＣＬ＋ＣＦ·Ｆ（５）式中ＣＬＣＬ＋ＣＦ螺栓的相对刚度，取０．２５ 由上述知：Ｆ＝Ｆａ＝２９２．０２ｋＮ，Ｑｐ＝４１８．０８ｋＮ，则Ｑ＝４１８．０８＋０． ２５×２９２．０２＝４９１．０９ｋＮ３单个联接螺栓强度计算３．１参数选择（按有预紧力和 变载荷条件选取）螺栓材料：Ｑ２３５Ｂ；σｓ＝２４０ＭＰａ；σｂ＝４１０ＭＰａ；σ－１ｔ ＝１２０ＭＰａ。［σ］＝σｓｎ＝２４０１．３５≈１７７．７８ＭＰａ（取ｎ＝１．３５）［ σ］＝ε·σ１ｔ·Ｋｍ·βｎα·Ｋσ＝０．５４×１２０×１×１．４８３．２５×３．０≈ ９．８４ＭＰａ式中ε尺寸系数，取０．５４Ｋｍ螺栓加工工艺系数，取１ｎα安全系数，取３． ２５β结构强化系数，取１．４８Ｋσ有效应力集中系数，取３．０３．２按最大静载荷计算强度 σｍａｘ＝１．３Ｑｍａｘπ４ｄ２１＝１．３×４９１．０９×１０３π×６４２＝１９８．４ ４５ＭＰａ＞［σ］由此看出，当联接螺栓在瞬间出现最大Ｑ时，螺栓强度不够。３．３螺栓受轴 向变载荷的疲劳强度计算如图６所示，由于奥特曼联轴器上联接螺栓是受交变载荷影响，因此，螺 栓所受工作拉力在０～Ｆ之间变化，因而螺栓所受总拉力在Ｑ～Ｑｐ之间变化，此时螺栓所受的拉 力幅为Ｑ－Ｑｐ２＝ΔＦ２＝１２·ＣＬＣＬ＋ＣＰ·Ｆ相应的应力幅为σα＝σｍａｘ－σｍｉ ｎ２＝ΔＦ２π２ｄ２１＝ＣＬＣＬ＋ＣＦ·２Ｆπｄ２１即σα＝０．２５×２９２．０２×１ ０３π×６４２≈１１．３５ＭＰａ＞［σ］＝９．８４ＭＰａ由上式可以看出，螺栓受变载荷作 用也将产生疲劳破坏。图６受轴向变载荷的螺栓联接４结论（１）实测的弯矩值以及所进行的理论 分析结果与实际是相符的；（２）奥特曼联轴器上的联接螺栓强度不够；（３）厂方采取临时性措 施，在奥特曼联轴器联接螺栓处的圆周上，均匀的焊上八个凹型铁块，使联接螺栓得到充分的保护 ，从而联接螺栓不再断裂。二辊轧机联轴器连接螺栓断裂事故分析$鞍山钢铁学院@徐泽宁@王德 斌@宋华@吴国颜@张万斌二辊轧机,联轴器,螺栓以实测为根据，对二辊不可逆轧机主传动系统 联轴器上的连接螺栓进行了受力分析和理论计算，找出了连接螺栓的断裂原因。＝４１８．０８ｋ Ｎ，则Ｑ＝４１８．０８＋０．２５×２９２．０２＝４９１．０９ｋＮ３单个联接螺栓强度计算 ３．１参数选择（按有预紧力和变载荷条件选取）螺栓材料：Ｑ２３５Ｂ；σｓ＝２４０ＭＰａ； σｂ＝４１０ＭＰａ；σ－１ｔ＝１２０ＭＰａ。［σ］＝σｓｎ＝２４０１．３５≈１７７．７ ８ＭＰａ（取ｎ＝１．３５）［σ］＝ε·σ１ｔ·Ｋｍ·βｎα·Ｋσ＝０．５４×１２０×１ ×１．４８３．２５×３．０≈９．８４ＭＰａ式中ε尺寸系数，取０．５４Ｋｍ螺栓加工工艺系 数，取１ｎα安全系数，取３．２５β结构强化系数，取１．４８Ｋσ有效应力集中系数，取３． ０３．２按最大静载荷计算强度σｍａｘ＝１．３Ｑｍａｘπ４ｄ２１＝１．３×４９１．０９× １０３π×６４２＝１９８．４４５ＭＰａ＞［σ］由此看出，当联接螺栓在瞬间出现最大Ｑ时， 螺栓强度不够。３．３螺栓受轴向变载荷的疲劳强度计算如图６所示，由于奥特曼联轴器上联接螺 栓是受交变载荷影响，因此，螺栓所受工作拉力在０～Ｆ之间变化，因而螺栓所受总拉力在Ｑ～Ｑ ｐ之间变化，此时螺栓所受的拉力幅为Ｑ－Ｑｐ２＝ΔＦ２＝１２·ＣＬＣＬ＋ＣＰ·Ｆ相应的应 力幅为σα＝σｍａｘ－σｍｉｎ２＝ΔＦ２π２ｄ２１＝ＣＬＣＬ＋ＣＦ·２Ｆπｄ２１即σα ＝０．２５×２９２．０２×１０３π×６４２≈１１．３５ＭＰａ＞［σ］＝９．８４ＭＰａ由 上式可以看出，螺栓受变载荷作用也将产生疲劳破坏。图６受轴向变载荷的螺栓联接４结论（１） 实测的弯矩值以及所进行的理论分析结果与实际是相符的；（２）奥特曼联轴器上的联接螺栓强度 不够；（３）厂方采取临时性措施，在奥特曼联轴器联接螺栓处的圆周上，均匀的焊上八个凹型铁 块，使联接螺栓得到充分的保护，从而联接螺栓不再断裂。二辊轧机联轴器连接螺栓断裂事故分析$鞍山钢铁学院@徐泽宁@王德斌@宋华@吴国颜@张万斌二辊轧机,联轴器,螺栓以实测为根据，对二辊不可逆轧机主传动系统联轴器上的连接螺栓进行了受力分析和理论计算，找出了连接螺栓的断裂原因。
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