本文对无缝厚壁钢管轧辊轴部断裂原因进行分析，通过计算轧辊轴部的疲劳应力并且使用ANSYS对疲劳应力的有限元计算，用计算结果对轧辊轴的几何结构进行加强，延长了轧辊轴的疲劳寿命。

无缝厚壁钢管轧机作为一种应用于钢铁行业中的机械设备，具有结构紧凑、工作平稳等特点。但由于工作条件恶劣及受力过程复杂，轧制过程中轧辊轴极容易断裂(图1曲线位置显示其断裂位置)，从而影响整个无缝厚壁钢管轧机的正常工作。为此，对系统进行分析，找出轧辊轴断裂的原因，并对轧辊轴进行几何结构的改进设计，避免轧辊轴使用中断裂，延长其寿命周期。

1断裂的可能原因

工作过程中的轧辊轴主要承受弯曲力、扭转力及轴的自重力的作用，由于厚壁钢管表面高低不平，这些应力(除重力)随轧辊轴运行过程不断发生变化，所以轧辊轴的局部可能会发生高频大应变疲劳断裂。实验观察和断口分析看出，发生轧辊轴断裂的可能原因有:

(1)材质存在缺陷:对断轴进行材质分析实验，断轴中选部分材料分析，优质碳素结构钢和合金钢没有热处理，材质性能比较差、强度比较低。对轧辊轴断口的外貌仔细观察，断口颜色为灰色，较为平整，塑性变形特点不明显，断口面发生在轧辊轴轴线垂直方向，疲劳破坏特征明显，三个区域很清晰:①疲劳源在带状区，最初断裂在此处形成，并由此扩展开来;②光滑区域是疲劳断裂扩展区，能看到明显条纹，应力交变反复，裂纹时张、时合，是一个揉折过程，形成疲劳断口上的光滑区，是裂纹扩展的表现;③粗糙区是突然断裂发生时的结果，是脆性材料断裂的重要特征，因此材料的质量较低，可能在内部有缺陷，导致轧辊轴发生疲劳断裂是一个原因。

(2)应力过集中:在轧辊轴设计和加工中经常会有轴肩结构，过渡圆角过小，轧辊轴工作过程中，交替变化应力难以避免，应力分布不匀普遍存在，在应力大的部位逐步形成裂纹并且逐渐扩大，脆性断裂最终出现。因此，合理设计轧辊轴的结构对于降低应力集中非常重要。

2 ANSYS软件分析轧辊轴的疲劳极限应力

轧辊轴受力状态的分析，轧辊轴应力的有限元计算为三维应力问题。轧辊轴在扭矩的单独作用下，疲劳应力有限元软件分析的应力是做计算分析的内容。在扭矩作用下，轴的载荷为对称载荷，进行单元划分考虑其轴对称结构，应力分析进行对称载荷的危险截面分析。具体方法是先进行轧辊轴实体建模，模型采用实体单元，由软件自动完成网格划分，得到有限元模型，按实际载荷情况进行加载，材料在弹性范围内工作，计算出轧辊轴危险面的应力图。

轧辊轴第一台阶过渡圆弧位置应力出现最大，最大应力854MPa。分析轧辊轴的变形看出，在交替变化应力的作用下，在轧辊轴端台阶产生扭曲变形，轧辊轴应力集中就在此处，疲劳源由这个位置生成并向外延展，断裂发生。在轴端台阶处加5mm圆弧过度后，应力下降明显。因此，控制疲劳源，就可以延长轧辊轴寿命。另外，降低有效应力集中系数k和提高表面质量系数β，同样可以使疲劳源的发生时间延后，疲劳寿命得到延长。

3结论

(1)分析可以看出，无缝轧机轧辊轴的断裂主要是疲劳断裂，是轧辊轴受弯曲及扭转引起的。图2和图3看出应力集中区是轧辊轴裂纹产生的部位和断轴断裂截面，与分析结果一致，也说明计算的正确性。

(2)疲劳裂纹的根源在轧辊轴计算应力集中区，疲劳断裂的内部诱因是材质内缺陷和1轧辊轴的材料质量。因此，需改善或消除轧辊轴应力集中及其薄弱环节以及提高材料和轧辊轴的质量。提高轧辊轴的疲劳强度在几个方面:材料的力学性能，材料的金相组织、杂质含量，热处理方法的正确，材料内部存在缺陷尽量少，提高材料质量。如45#钢不能达到要求时，在成本允许的情况下，可用其他材质好的材料代替，如35CrMo调质、40Cr钢等。