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本文對無縫厚壁鋼管軋輥軸部斷裂原因進行分析，通過計算軋輥軸部的疲勞應力并且使用ANSYS對疲勞應力的有限元計算，用計算結果對軋輥軸的幾何結構進行加強，延長了軋輥軸的疲勞壽命。

無縫厚壁鋼管軋機作為一種應用于鋼鐵行業中的機械設備，具有結構緊湊、工作平穩等特點。但由于工作條件惡劣及受力過程復雜，軋制過程中軋輥軸極容易斷裂(圖1曲線位置顯示其斷裂位置)，從而影響整個無縫厚壁鋼管軋機的正常工作。為此，對系統進行分析，找出軋輥軸斷裂的原因，并對軋輥軸進行幾何結構的改進設計，避免軋輥軸使用中斷裂，延長其壽命周期。

1斷裂的可能原因

工作過程中的軋輥軸主要承受彎曲力、扭轉力及軸的自重力的作用，由于厚壁鋼管表面高低不平，這些應力(除重力)隨軋輥軸運行過程不斷發生變化，所以軋輥軸的局部可能會發生高頻大應變疲勞斷裂。實驗觀察和斷口分析看出，發生軋輥軸斷裂的可能原因有:

(1)材質存在缺陷:對斷軸進行材質分析實驗，斷軸中選部分材料分析，優質碳素結構鋼和合金鋼沒有熱處理，材質性能比較差、強度比較低。對軋輥軸斷口的外貌仔細觀察，斷口顏色為灰色，較為平整，塑性變形特點不明顯，斷口面發生在軋輥軸軸線垂直方向，疲勞破壞特征明顯，三個區域很清晰:①疲勞源在帶狀區，最初斷裂在此處形成，并由此擴展開來;②光滑區域是疲勞斷裂擴展區，能看到明顯條紋，應力交變反復，裂紋時張、時合，是一個揉折過程，形成疲勞斷口上的光滑區，是裂紋擴展的表現;③粗糙區是突然斷裂發生時的結果，是脆性材料斷裂的重要特征，因此材料的質量較低，可能在內部有缺陷，導致軋輥軸發生疲勞斷裂是一個原因。

(2)應力過集中:在軋輥軸設計和加工中經常會有軸肩結構，過渡圓角過小，軋輥軸工作過程中，交替變化應力難以避免，應力分布不勻普遍存在，在應力大的部位逐步形成裂紋并且逐漸擴大，脆性斷裂最終出現。因此，合理設計軋輥軸的結構對于降低應力集中非常重要。

2 ANSYS軟件分析軋輥軸的疲勞極限應力

軋輥軸受力狀態的分析，軋輥軸應力的有限元計算為三維應力問題。軋輥軸在扭矩的單獨作用下，疲勞應力有限元軟件分析的應力是做計算分析的內容。在扭矩作用下，軸的載荷為對稱載荷，進行單元劃分考慮其軸對稱結構，應力分析進行對稱載荷的危險截面分析。具體方法是先進行軋輥軸實體建模，模型采用實體單元，由軟件自動完成網格劃分，得到有限元模型，按實際載荷情況進行加載，材料在彈性范圍內工作，計算出軋輥軸危險面的應力圖。

軋輥軸第一臺階過渡圓弧位置應力出現最大，最大應力854MPa。分析軋輥軸的變形看出，在交替變化應力的作用下，在軋輥軸端臺階產生扭曲變形，軋輥軸應力集中就在此處，疲勞源由這個位置生成并向外延展，斷裂發生。在軸端臺階處加5mm圓弧過度后，應力下降明顯。因此，控制疲勞源，就可以延長軋輥軸壽命。另外，降低有效應力集中系數k和提高表面質量系數β，同樣可以使疲勞源的發生時間延后，疲勞壽命得到延長。

3結論

(1)分析可以看出，無縫軋機軋輥軸的斷裂主要是疲勞斷裂，是軋輥軸受彎曲及扭轉引起的。圖2和圖3看出應力集中區是軋輥軸裂紋產生的部位和斷軸斷裂截面，與分析結果一致，也說明計算的正確性。

(2)疲勞裂紋的根源在軋輥軸計算應力集中區，疲勞斷裂的內部誘因是材質內缺陷和1軋輥軸的材料質量。因此，需改善或消除軋輥軸應力集中及其薄弱環節以及提高材料和軋輥軸的質量。提高軋輥軸的疲勞強度在幾個方面:材料的力學性能，材料的金相組織、雜質含量，熱處理方法的正確，材料內部存在缺陷盡量少，提高材料質量。如45#鋼不能達到要求時，在成本允許的情況下，可用其他材質好的材料代替，如35CrMo調質、40Cr鋼等。