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基于CAE技术的热连轧机齿轮减速箱输入轴断裂分析
摘要
本文通过有限元分析方法对热连轧机齿轮减速箱输入轴进行了静态和动态力学分析，对其断裂原因进行了深入探究。通过建立减速箱的有限元模型，仿真模拟了轴的工作状态并获得了其受力和应变分布情况。结果表明，轴的破坏主要集中在两个部位，一是轴的连接法兰区域，另一个是轴的中间部位。对这两个部位进行了分析，并提出了改进方案，以提升轴的使用寿命和运行效率。
关键词：热连轧机，齿轮减速箱，输入轴，断裂分析，有限元分析，改进方案
Abstract
Thispaperconductsstaticanddynamicmechanicalanalysisoftheinputshaftofthegearreductionboxinthehotcontinuousrollingmillthroughfiniteelementanalysismethod,andexploresthereasonsforitsfractureindepth.Byestablishingthefiniteelementmodelofthereductionbox,theworkingstateoftheshaftissimulatedandthestressandstraindistributionoftheshaftisobtained.Theresultsshowthatthedamageoftheshaftismainlyconcentratedintwoparts,oneistheflangeareawheretheshaftisconnected,andtheotheristhemiddlepartoftheshaft.Theanalysisofthesetwopartsiscarriedout,andimprovementplansareproposedtoimprovetheservicelifeandoperatingefficiencyoftheshaft.
Keywords:hotcontinuousrollingmill,gearreductionbox,inputshaft,fractureanalysis,finiteelementanalysis,improvementplan
引言
热连轧机是一种制造轧制成形板材的设备，具有重要的生产价值。在热连轧机中，齿轮减速箱是一个关键的部件，起着转速减缓，扭矩增大作用。而减速箱中的输入轴则是连接电动机和减速机的组件，负责将电动机传来的动力传递给减速机和辊系，使其正常运转。因此，输入轴的可靠性和寿命是热连轧机正常生产的重要保证。
然而，在使用过程中，输入轴的破坏问题时有发生。通过调查分析，发现轴的破坏不仅直接影响到热连轧机的正常生产，而且给企业造成了很大的经济损失。因此，对输入轴的破坏原因进行深入研究，对于提高热连轧机的运行效率和经济效益具有重要意义。
本文基于有限元分析技术，对热连轧机齿轮减速箱输入轴进行了断裂分析。通过建立有限元模型，仿真模拟了输入轴的工作状态，获得了输入轴的应力、应变等相关数据。通过对数据的分析，探究了输入轴破坏的原因，并提出对应的改进方案。
1.建立有限元模型
将输入轴的CAD图纸导入有限元分析软件，根据轴的几何形状，建立轴的三维有限元模型，包括轴、轴承、法兰等部件。将轴的材料属性设置为45#钢，其他部件材料属性参照实际选用。建立完毕后，给模型施加载荷并进行网格剖分。
2.分析轴的静力学特性
将轴固定在一端，另一端受力。设置载荷为61000N，模拟轴在工作状态下承受轧机辊系带来的扭矩力和径向负载下的受力情况。对轴进行静态力学分析，获取轴的应力、应变等参数数据，并绘制出载荷-位移曲线。
3.分析轴的动力学特性
将轴固定在两端，设置运动边界条件，模拟轴在工作状态下的振动情况。对轴进行动态力学分析，获取轴的振动频率、振幅等参数数据，并绘制出频率响应曲线。
4.分析轴的破坏原因
根据有限元分析所得的数据，对轴的破坏原因进行分析。结果显示，轴的破坏主要集中在两个部位，一是轴的连接法兰区域，另一个是轴的中间部位。
在连接法兰区域，由于轴的直径较小，连接部位受到的载荷较为集中，容易导致疲劳破坏。同时，法兰的结构设计存在问题，法兰周围存在很多棱角和槽口，造成应力集中，也是破坏的主要原因之一。
在轴的中间部位，由于在工作状态下受到的载荷较大，轴的应力和应变值也较大，容易导致轴的变形和开裂，进而导致轴的断裂。同时，轴的材料性能也会影响轴的承载能力和使用寿命。
5.提出改进方案
根据破坏原因，针对轴的连接法兰区域和中间部位进行了改进方案的设计。对于连接法兰区域，可以考虑增加轴的直径或采用铸造法兰代替原来的加工法兰，以增强法兰的强度和稳定性。对于轴的中间部位，可