一种基于材料模型库的非稳态载荷下轧机传动轴系统关键件疲劳寿命实时监控的方法与流程

本发明涉及一种基于模型库的轧机传动轴系统关键件非稳态载荷下疲劳寿命实时监控的方法，属于疲劳寿命监控技术领域，具体地说是一种基于材料模型库的非稳态载荷下轧机传动轴系统关键件疲劳寿命实时监控的方法。

背景技术：

轧机传动轴系统是轧机系统中的关键部位，其安全可靠性对轧机的正常工作有着重要影响。轧机工作时，容易受到非稳态载荷的冲击，长时间不间断的这种工作状态易对轧机的传动系统造成损伤。一旦轧机的传动轴系统出现部件的突然损坏现象，将会影响整个生产流程，甚至出现严重事故。因此有必要提出一种计算精度高、有针对性的、快捷和准确的疲劳寿命实时监控方法，对轧机传动轴系统的关键零部件进行疲劳寿命的预测和监控，有助于技术工人及时更换处理。

目前，通常对轧机传动轴系统关键零部件在线监控是关注载荷数据的变化，通过丰富的经验来判断关键件的使用状况，不能实现即时性、准确性和高效性。有必要根据实时获取的载荷进行处理分析，即时、高效、准确地计算出疲劳寿命。然而，实时载荷数据通常数据量十分庞大，若不进行选择处理，将影响整个疲劳寿命的计算效率。本发明建立疲劳寿命计算专用模型库，对实时非稳态载荷谱进行高效的提取、分析、筛选和转换等处理，实现计算过程简单快速，计算结果精确有效。因此，提出一种基于模型库的轧机传动轴系统关键件非稳态载荷下疲劳寿命实时监控的方法，对轧机传动轴系统进行安全监控，确保生产正常进行，防止安全事故发生。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前轧机传动轴系统关键件的疲劳寿命预测通常是考虑利用稳态轧制力矩或主电动机的额定转矩进行其疲劳寿命计算分析，并没有考虑其真实在线使用情况下的非稳态载荷，导致疲劳寿命的预测不准确。而且针对不同的轧机传动轴系统，其涉及的性能参数和数模不一，寿命预测难度大，不能实现实时在线监控的问题，发明一种基于材料模型库的非稳态载荷下轧机传动轴系统关键件疲劳寿命实时监控的方法，该方法高效可行，计算精度高，适合于多样不一的轧机传动轴系统关键件的疲劳寿命实时监控。

本发明的技术方案是：

一种基于材料模型库的非稳态载荷下轧机传动轴系统关键件疲劳寿命实时监控的方法，包含以下几个步骤：

步骤一：根据不同的轧机传动轴系统建立疲劳寿命计算模型库。模型库的内容包括各轧机传动轴系统的零部件模型、装配模型、有限元分析模型、载荷值与应力值的线性关系和各关键件的材料性能参数。

步骤二：从轧机西门子实时载荷监测系统实时获取现场轧机传动轴系统运行时的载荷谱，对连续相同时间间隔读取到的dat数据格式的载荷谱文件进行解析，识别其中的扭矩载荷数据，并转换成可读的txt文件。

步骤三：将载荷谱转化成应力谱，采用三点比较算法在保持载荷历时的前提下进行峰谷值提取；再采用四点滤波算法删除载荷谱中不影响疲劳寿命的小载荷。

步骤四：应用雨流计数法对处理后的应力谱进行统计计算以编制出等效应力谱，基于修正的miner法则进行部件的疲劳寿命计算。

本发明的有益效果是：

本发明基于丰富的模型库、轧机上实时连续获取的相同时间间隔的载荷数据和经典疲劳理论，针对的是轧制过程中的非稳态载荷数据，解决了现有依托稳定载荷计算疲劳寿命结果不准确的问题，对轧机传动轴系统关键件进行疲劳寿命监控，具有较高的现场适用性和计算精度，能够实时有效地对各种材料及工况轧机传动轴系统关键件进行安全监控。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明模型库中三维模型示意图；

图3是本发明模型库中有限元分析模型示意图；

图4是本发明模型库材料库示意图；

图5是本发明四点滤波算法流程图；

图6是本发明编制的等效应力谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

如图1-6所示。

一种基于材料模型库的非稳态载荷下轧机传动轴系统关键件疲劳寿命实时监控的方法，其流程图如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：建立疲劳寿命计算模型库；

分别对轧机传动轴系统的各关键零部件进行模型建立，获取关键件的载荷值与应力值之间的线性关系，综合分析轧机传动轴系统应用环境和结构影响因素，确定计算各关键件的材料性能参数，进行模型库的搭建。

具体为：

(1)模型建立

将图片格式的轧机传动轴系统图纸文件导入cad中，根据已知的轧机传动轴长度尺寸与图片上标注的尺寸进行比例尺的换算，缩放处理，获得等比例的效果，从而测量出轧机传动轴系统图纸文件中未标注部分的尺寸。得到图纸上的所有的尺寸后，在三维软件中进行1:1三维模型的建立。以炉卷轧机传动轴系统为例，三维模型如图2所示。将建立好的三维模型导成stp的文件格式，导入有限元分析软件中。首先基于fem技术对各关键件模型进行简化、选择单元、定义单元特性、网格划分，并根据各关键件的材料特性和工作环境定义材料、属性和边界条件等内容，从而建立有限元分析模型，如图3所示，有限元分析模型材料参数如表1所示。各部件三维模型和有限元分析模型均加入到模型库中，供随时分析处理。

(2)载荷值与应力值的转换系数计算；

基于建立好的有限元分析模型进行针对轧机传动轴系统关键件疲劳寿命计算的静力学仿真分析，获得其应力分布规律，并得到轧机传动轴系统最大轧制力矩下的最大应力值，本实例的分布规律图如图4所示。依据最大应力与所加载载荷的线性关系，按如下公式进行载荷值与应力值的转换计算，本例中对于炉卷轧机传动轴系统十字轴的转换关系为σij＝0.3495·mij，将计算结果整理至模型库，如表1所示。

σij＝k·mij

式中：k为常系数，mpa/knm；mij为轧机传动轴系统的最大轧制力矩，knm；σij为轧机传动轴系统最大轧制力矩下的最大应力值，mpa。

(3)材料性能参数的确定；

首先基于拉伸试验、疲劳试验和轴向载荷等试验，疲劳寿命计算相关的科技论文、试验报告和期刊等文献和机械设计手册确定材料的疲劳极限和抗拉强度。再根据材料的疲劳极限和抗拉强度，理论计算确定与存活率(置信度)有关的材料参数，公式如下。通过硬度试验、表面粗糙度试验和静刚度试验等试验的方法计算获得有效应力集中系数、绝对尺寸系数、表面加工系数和表面强化系数，查机械设计手册确定线性疲劳损伤累计理论修正系数和相应零部件材料在正常空气与腐蚀环境下的表面腐蚀系数。将各零部件对应参数整理至材料模型库，本例的各性能参数列入如表1所示的模型库。

lgnp＝ap+bplgσ

ap、bp为与存活率(置信度)有关的材料参数，σ为疲劳极限强度；np为存活率为p时的疲劳寿命。

表1研制的模型库参数表：

步骤二：实时数据获取的进行；

通过编程实现从轧机实时载荷监测系统(如西门子轧机实时载荷监测系统)实时获取现场轧机传动轴系统运行时的载荷谱，载荷谱为dat数据格式，该dat数据格式包含文件头、数据文件区和注释文件区。文件头区由8696个字节构成，主要包括版本信息、模块名、图名、通道数和存放地址信息等各种文件信息。数据文件区由许多的结构体对象组成，每个结构体对象占据不同字节的内存空间，主要包括各种速度实际值、电流值、温度值、扭矩值和各种标志等信息。注释文件区则是相应的注释信息。对dat数据格式文件进行解析，只获得其中的扭矩载荷数据，并转换成可读的txt文件。

步骤三：非稳态载荷谱的处理；

获得的实时载荷谱转换成txt文件格式后，首先根据载荷值与应力值的线性关系将载荷谱转化成应力谱，再将相邻的相同点去除，在保持载荷历时的前提下利用三点比较的方法进行峰谷值提取；然后采用建立的一套较完整的四点滤波算法删除载荷谱中不影响疲劳寿命的小载荷，四点滤波算法的流程如图5所示。

步骤四：疲劳寿命计算；

应用雨流计数法对步骤三中处理后的应力谱进行统计计算以编制出等效应力谱，本实例的等效应力谱如图6所示。基于修正的miner法则进行部件的疲劳寿命计算，计算公式如下所示。

式中：pi表示应力级别σi的概率；ni表示单一应力σi作用下使材料发生疲劳破坏的应力循环次数；a表示线性疲劳损伤累计理论修正系数；t表示实时采取的载荷谱时间间隔；n表示部件内部开始出现损伤的工作时间即疲劳寿命。本实例时间间隔是24小时的载荷谱，线性疲劳损伤累计理论修正系数可从模型参数库查到为0.8，计算得到的疲劳寿命为0.50639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。