一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法与流程

本发明涉及冶金机械、金属结构疲劳寿命计算相关技术领域，尤其是一种零件寿命预测方法，具体地说是一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法，它特别适用于对轧制过程中轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命进行计算。

背景技术：

轧机传动系统是轧机的重要组件，其强度和稳定性直接影响到轧机的正常运行。由于轧机轧制过程中，轧件被咬入和抛出时，轧机将承受巨大的冲击转矩载荷，从而使轧机的传动系统产生疲劳损伤。一旦轧机的传动系统的零部件发生损坏，轧制生产将会立即停止，造成较大的经济损失，同时存在一定的安全隐患。因此有必要提出一种有效、快捷和准确的预警方法，对轧机传动系统的关键零部件进行疲劳寿命的预测和预警。

目前，对于轧机传动系统关键零部件的疲劳损伤研究中大多是将稳态轧制力矩或主电动机的额定转矩作为载荷进行疲劳寿命计算分析，，但由此得到的载荷谱与轧机实际所受载荷谱不一致，这将导致预算寿命与实际情况误差较大。本发明中轧制周期内的载荷谱是通过对轧机实际生产中的各项参数的实测得到，因此其计算结果相对可靠、准确。但是在实际生产中，实测所得的载荷谱的数据量十分庞大，若直接将这些载荷谱用于疲劳寿命的预测，计算过程变得繁琐复杂，而本发明则是针对于实测的载荷谱，对其进行有效、快速的转换、分析、提取和压缩处理后得到有效的、数据量大幅度缩小的载荷谱，之后结合材料疲劳参数，运用修正迈因纳法则对轧机传动系统关键零部件进行疲劳寿命预测。因此，本发明中轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命的计算过程简单快速，计算结果准确可靠。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的轧机传动系统关键零部件的疲劳损伤研究中大多是将稳态轧制力矩或主电动机的额定转矩作为载荷进行疲劳寿命计算分析，由此得到的载荷谱与轧机实际所受载荷谱不一致，而易导致预算寿命与实际情况误差较大的问题，发明一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法，以有效、快捷和准确的进行轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预测。

本发明的技术方案是：

一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法，其特征在于可以有效、快捷和准确的根据实际加载情况预测轧机传动部件的疲劳寿命，该系统的实现包括以下步骤：

(1)通过对轧机工作过程中的实时监测，得到轧机传动系统关键零部件在轧制周期内所受的载荷谱；

(2)基于计算机仿真技术建立传动装置的三维模型和有限元模型，得到轧机传动系统关键零部件的应力分布规律以及应力与载荷的转换系数；

(3)基于步骤(2)中所获得的应力与载荷的转换系数，对步骤(1)中所测得的载荷谱进行转换处理，获得相应的应力谱，并对得到的应力谱进行波形分类、压缩去噪和峰谷值提取的处理；

(4)应用循环雨流计数法对步骤(3)中处理后的应力谱进行统计，并基于统计的结果编制出等效应力幅值直方图；

(5)根据步骤(4)中编制的等效应力幅值直方图，结合材料的疲劳性能参数，应用修正迈因纳法则计算轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数，并将之转换为以年为单位的疲劳寿命。

本发明所述步骤(1)中，轧制周期指从轧件被咬入到抛出的整个过程，实测得到的载荷谱是多个轧制周期内轧机传动系统关键零部件所受的载荷谱。

本发明所述步骤(2)中，基于计算机仿真技术建立传动装置的三维模型和有限元模型，包括如下步骤：

(1)对轧机传动轴系统进行测量，根据实测数据建立轧机传动系统关键零部件的三维模型和有限元模型，模型包括但不限于十字万向接轴、长转矩轴和十字万向接轴叉头，如图1所示，并根据实际情况添加材料参数和边界条件；

(2)以轧制周期内的平均载荷工况为载荷边界条件进行静力学分析，获得静力作用下传动系统的应力分布情况；

(3)以不同力矩作为载荷边界条件进行静力学分析，获得相应的应力分布情况；

(4)上述计算和仿真过程全部基于轧机传动系统关键零部件小变形假设，即任一零部件的任一应变分量不超过5％。

本发明所述步骤(2)中，基于计算机仿真技术建立传动装置的三维模型和有限元模型，其目的是为了根据轧机传动系统关键零部件所受的应力分布情况，找出疲劳损伤集中的位置，同时得到应力和载荷的转换系数，转换系数的计算公式为：

式中，k为应力和载荷之间的转换系数，MPa/kNm；M_ij为零件所受的扭矩，kNm；σ_ij为以M_ij为载荷边界条件计算得到的零件最大应力值，MPa。

本发明所述步骤(3)中，应力谱去噪处理的依据是应力对零部件造成疲劳损伤的贡献度，其方法是四点法算法，其目的是删除幅值小于阈值的低贡献量应力循环，以压缩待处理的应力谱，减少计算量。

本发明所述步骤(3)中，峰谷值提取是指提取应力谱中组成应力循环的拐点，其方法是三点比较法，其目的是删除应力谱中不影响疲劳寿命的非拐点，以进一步压缩待处理的应力谱，减少计算量。

本发明所述步骤(4)中，应用循环雨流计数法对应力谱进行统计，并基于统计的结果编制出等效应力幅值直方图，其具体步骤包括：

(1)应用循环雨流计数法对步骤(3)中得到的应力谱进行统计，得到应力循环的幅值S_ai和均值S_mi及其所对应的循环次数n_ai和n_mi。

(2)基于古德曼曲线对雨流计数中的获得的应力循环的幅值和均值进行等效转换，获取等效应力幅值。

本发明所述步骤(5)中，材料的疲劳性能参数包括：材料的疲劳极限σ_-1、与存活率(置信度)有关的材料参数a_p和b_p、有效应力集中系数K_σ、绝对尺寸系数ε、表面加工系数β以及疲劳安全因子n_-1。

本发明所述步骤(5)中，疲劳损伤累积理论为修正迈因纳法则，其计算公式为：

式中，P_i为等效应力谱中应力级别σ_i的概率；N_i为单一应力σ_i作用下使材料发生疲劳破坏的应力循环次数，可根据修正后的材料p-S-N曲线计算公式得到；N_总为载荷谱作用下估算的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数。

本发明所述步骤(5)中，修正后的材料p-S-N曲线计算公式为：

式中，a_p、b_p为存活率为p的材料参数；σ_-1为疲劳强度极限；N_p为存活率为p时的疲劳寿命。

本发明所述步骤(5)中，转换为以年为单位的疲劳寿命的转换公式为：

式中，n为以年为单位计的疲劳寿命；N为通过修正迈因纳法则公式计算得到的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数；N₀为轧机1年内轧制的次数。

本发明的有益效果是：

本发明可以有效、快捷和准确的根据实际加载情况预测轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命。

本发明是在保证计算分析结果的准确性基础上，将有限元分析结果和数学统计方法相结合，对实测的载荷谱进行分析和压缩，解决了现有疲劳寿命计算方法中计算量大、计算复杂等问题，具有较高的适用性和可操作性，工程实用性强。

附图说明

图1是本发明所涉及的十字万向接轴和长转矩轴的三维有限元模型。

图2是本发明的轧机传动部件的疲劳寿命预警方法技术流程图。

图3是本发明实例中实测得到的载荷谱图。

图4是本发明实例中经过处理后获得的应力谱图。

图5是本发明实例中经过雨流计数获得的应力循环的幅值直方图(a)、均值直方图(b)以及合成的三维直方图(c)。

图6是本发明实例中获得的等效应力幅值直方图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例子来进一步说明本发明。

下面通过实例对本发明的一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法作详细说明。

本发明的主旨在于，对实测得到的载荷谱进行有效、快速的转换，对转换得到的应力谱进行波形分类、压缩去噪、峰谷值提取和数学统计，获得等效应力谱直方图，之后以此为基础，结合材料的疲劳性能参数，应用修正迈因纳法则对传动系统关键零部件进行疲劳寿命预测。本发明中，疲劳寿命的计算过程简单快捷，计算结果准确可靠。

参见图2。

一种基于载荷谱分析的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命预警方法，包括如下步骤：

1.通过对轧机工作过程中的实时监测，得到轧机传动系统关键零部件在轧制周期内所受的载荷谱；

在本发明中，轧制周期指从轧件被咬入到抛出的整个过程，实测得到的载荷谱是多个轧制周期内轧机传动系统关键零部件所受的载荷谱。本例中实测得到载荷谱如图3所示。

2.基于计算机仿真技术建立传动装置的三维模型和有限元模型，得到轧机传动系统关键零部件的应力分布规律以及应力与载荷的转换系数；

基于计算机仿真技术建立传动装置的三维模型和有限元模型的步骤为：

(1)对轧机传动轴系统进行测量，根据实测数据建立轧机传动系统关键零部件的三维模型和有限元模型，传动系统关键零部件的三维模型和有限元模型包括但不限于十字万向接轴、长转矩轴和十字万向接轴叉头，如图1所示，并应根据实际情况添加材料参数和边界条件；

(2)以轧制周期内的平均载荷工况为载荷边界条件进行静力学分析，获得静力作用下传动系统的应力分布情况；

(3)以不同力矩作为载荷边界条件进行静力学分析，获得相应的应力分布情况；

(4)上述计算和仿真过程全部基于轧机传动系统关键零部件小变形假设，即任一零部件的任一应变分量不超过5％。

根据轧机传动系统关键零部件所受的应力分布，找出疲劳损伤集中的位置，同时根据以不同力矩作为载荷边界条件，得到应力和载荷的转换系数，在本例中，计算出的应力谱转换系数为k＝0.1025MPa/kNm。

3.基于步骤2中所获得的应力与载荷的转换系数，对步骤1中所测得的载荷谱进行转换处理，获得相应的应力谱，并对得到的应力谱进行波形分类、压缩去噪和峰谷值提取的处理；

在本发明中，应力谱去噪处理的依据是应力对零部件造成疲劳损伤的贡献度，其方法是四点法算法，其目的是删除幅值小于阈值的低贡献量应力循环，以压缩待处理的应力谱，减少计算量。应力谱峰谷值提取是指提取应力谱中组成应力循环的拐点，其方法是三点比较法，其目的是删除应力谱中不影响疲劳寿命的非拐点，以进一步压缩待处理的应力谱，减少计算量。在本实例中，处理后的应力谱如图4所示。

4.应用循环雨流计数法对步骤3中处理后的应力谱进行统计，并基于统计的结果编制出等效应力幅值直方图；

应用循环雨流计数法对应力谱进行统计，并基于统计的结果编制出等效应力幅值直方图的具体步骤包括：

(1)应用循环雨流计数法对步骤3中得到的应力谱进行统计，得到应力循环的幅值S_ai和均值S_mi及其所对应的循环次数n_ai和n_mi，此步骤统计后的结果以直方图的形式示于图5。

(2)基于古德曼曲线对雨流计数中的获得的应力循环的幅值和均值进行等效转换，获取等效应力幅值。

在本实例中，获取的等效应力幅值直方图示于图6。

5.根据步骤4中编制的等效应力幅值直方图，结合材料的疲劳性能参数，应用修正迈因纳法则计算轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数，并将之转换为以年为单位的疲劳寿命。

在本发明中，材料的疲劳性能参数包括：材料的疲劳极限σ_-1、与存活率(置信度)有关的材料参数a_p和b_p、有效应力集中系数K_σ、绝对尺寸系数ε、表面加工系数β以及疲劳安全因子n_-1。本例中是考虑了以上所有影响疲劳寿命计算的参数，如表2.1所示。

表2.1传动轴的相关参数

修正迈因纳法则的计算公式为：

式中，P_i为等效应力谱中应力级别σ_i的概率；N_i为单一应力σ_i作用下使材料发生疲劳破坏的应力循环次数，可根据修正后的材料p-S-N曲线计算公式得到；N_总为载荷谱作用下估算的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数。

修正后的材料p-S-N曲线计算公式为：

式中，a_p、b_p为存活率为p的材料参数；σ_-1为疲劳强度极限；N_p为存活率为p时的疲劳寿命。

本发明所述步骤5中，转换为以年为单位的疲劳寿命的转换公式为：

式中，n为以年为单位计的疲劳寿命；N为应用修正迈因纳法则计算得到的轧机传动系统关键零部件的疲劳寿命循环次数；N₀为轧机1年内轧制的次数。

对本实例中的轧机的工况进行分析后，得到轧机1年内轧制的次数约为1080000次。在本实例中，应用修正迈因纳法则计算得到的疲劳寿命循环次数为5688031次，即5.267年。

以上仅就本发明的一个实例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实例，其疲劳寿命计算时，对象的疲劳寿命参数允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。