本發(fā)明涉及冶金機械、金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種零件壽命預(yù)測方法，具體地說是一種基于載荷譜分析的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)警方法，它特別適用于對軋制過程中軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命進行計算。

背景技術(shù)：

軋機傳動系統(tǒng)是軋機的重要組件，其強度和穩(wěn)定性直接影響到軋機的正常運行。由于軋機軋制過程中，軋件被咬入和拋出時，軋機將承受巨大的沖擊轉(zhuǎn)矩載荷，從而使軋機的傳動系統(tǒng)產(chǎn)生疲勞損傷。一旦軋機的傳動系統(tǒng)的零部件發(fā)生損壞，軋制生產(chǎn)將會立即停止，造成較大的經(jīng)濟損失，同時存在一定的安全隱患。因此有必要提出一種有效、快捷和準(zhǔn)確的預(yù)警方法，對軋機傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件進行疲勞壽命的預(yù)測和預(yù)警。

目前，對于軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞損傷研究中大多是將穩(wěn)態(tài)軋制力矩或主電動機的額定轉(zhuǎn)矩作為載荷進行疲勞壽命計算分析，，但由此得到的載荷譜與軋機實際所受載荷譜不一致，這將導(dǎo)致預(yù)算壽命與實際情況誤差較大。本發(fā)明中軋制周期內(nèi)的載荷譜是通過對軋機實際生產(chǎn)中的各項參數(shù)的實測得到，因此其計算結(jié)果相對可靠、準(zhǔn)確。但是在實際生產(chǎn)中，實測所得的載荷譜的數(shù)據(jù)量十分龐大，若直接將這些載荷譜用于疲勞壽命的預(yù)測，計算過程變得繁瑣復(fù)雜，而本發(fā)明則是針對于實測的載荷譜，對其進行有效、快速的轉(zhuǎn)換、分析、提取和壓縮處理后得到有效的、數(shù)據(jù)量大幅度縮小的載荷譜，之后結(jié)合材料疲勞參數(shù)，運用修正邁因納法則對軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行疲勞壽命預(yù)測。因此，本發(fā)明中軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命的計算過程簡單快速，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞損傷研究中大多是將穩(wěn)態(tài)軋制力矩或主電動機的額定轉(zhuǎn)矩作為載荷進行疲勞壽命計算分析，由此得到的載荷譜與軋機實際所受載荷譜不一致，而易導(dǎo)致預(yù)算壽命與實際情況誤差較大的問題，發(fā)明一種基于載荷譜分析的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)警方法，以有效、快捷和準(zhǔn)確的進行軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)測。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于載荷譜分析的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)警方法，其特征在于可以有效、快捷和準(zhǔn)確的根據(jù)實際加載情況預(yù)測軋機傳動部件的疲勞壽命，該系統(tǒng)的實現(xiàn)包括以下步驟：

(1)通過對軋機工作過程中的實時監(jiān)測，得到軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件在軋制周期內(nèi)所受的載荷譜；

(2)基于計算機仿真技術(shù)建立傳動裝置的三維模型和有限元模型，得到軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布規(guī)律以及應(yīng)力與載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

(3)基于步驟(2)中所獲得的應(yīng)力與載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，對步驟(1)中所測得的載荷譜進行轉(zhuǎn)換處理，獲得相應(yīng)的應(yīng)力譜，并對得到的應(yīng)力譜進行波形分類、壓縮去噪和峰谷值提取的處理；

(4)應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對步驟(3)中處理后的應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，并基于統(tǒng)計的結(jié)果編制出等效應(yīng)力幅值直方圖；

(5)根據(jù)步驟(4)中編制的等效應(yīng)力幅值直方圖，結(jié)合材料的疲勞性能參數(shù)，應(yīng)用修正邁因納法則計算軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，并將之轉(zhuǎn)換為以年為單位的疲勞壽命。

本發(fā)明所述步驟(1)中，軋制周期指從軋件被咬入到拋出的整個過程，實測得到的載荷譜是多個軋制周期內(nèi)軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件所受的載荷譜。

本發(fā)明所述步驟(2)中，基于計算機仿真技術(shù)建立傳動裝置的三維模型和有限元模型，包括如下步驟：

(1)對軋機傳動軸系統(tǒng)進行測量，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的三維模型和有限元模型，模型包括但不限于十字萬向接軸、長轉(zhuǎn)矩軸和十字萬向接軸叉頭，如圖1所示，并根據(jù)實際情況添加材料參數(shù)和邊界條件；

(2)以軋制周期內(nèi)的平均載荷工況為載荷邊界條件進行靜力學(xué)分析，獲得靜力作用下傳動系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況；

(3)以不同力矩作為載荷邊界條件進行靜力學(xué)分析，獲得相應(yīng)的應(yīng)力分布情況；

(4)上述計算和仿真過程全部基于軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件小變形假設(shè)，即任一零部件的任一應(yīng)變分量不超過5％。

本發(fā)明所述步驟(2)中，基于計算機仿真技術(shù)建立傳動裝置的三維模型和有限元模型，其目的是為了根據(jù)軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件所受的應(yīng)力分布情況，找出疲勞損傷集中的位置，同時得到應(yīng)力和載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算公式為：

式中，k為應(yīng)力和載荷之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，MPa/kNm；M_ij為零件所受的扭矩，kNm；σ_ij為以M_ij為載荷邊界條件計算得到的零件最大應(yīng)力值，MPa。

本發(fā)明所述步驟(3)中，應(yīng)力譜去噪處理的依據(jù)是應(yīng)力對零部件造成疲勞損傷的貢獻度，其方法是四點法算法，其目的是刪除幅值小于閾值的低貢獻量應(yīng)力循環(huán)，以壓縮待處理的應(yīng)力譜，減少計算量。

本發(fā)明所述步驟(3)中，峰谷值提取是指提取應(yīng)力譜中組成應(yīng)力循環(huán)的拐點，其方法是三點比較法，其目的是刪除應(yīng)力譜中不影響疲勞壽命的非拐點，以進一步壓縮待處理的應(yīng)力譜，減少計算量。

本發(fā)明所述步驟(4)中，應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，并基于統(tǒng)計的結(jié)果編制出等效應(yīng)力幅值直方圖，其具體步驟包括：

(1)應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對步驟(3)中得到的應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，得到應(yīng)力循環(huán)的幅值S_ai和均值S_mi及其所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n_ai和n_mi。

(2)基于古德曼曲線對雨流計數(shù)中的獲得的應(yīng)力循環(huán)的幅值和均值進行等效轉(zhuǎn)換，獲取等效應(yīng)力幅值。

本發(fā)明所述步驟(5)中，材料的疲勞性能參數(shù)包括：材料的疲勞極限σ_-1、與存活率(置信度)有關(guān)的材料參數(shù)a_p和b_p、有效應(yīng)力集中系數(shù)K_σ、絕對尺寸系數(shù)ε、表面加工系數(shù)β以及疲勞安全因子n_-1。

本發(fā)明所述步驟(5)中，疲勞損傷累積理論為修正邁因納法則，其計算公式為：

式中，P_i為等效應(yīng)力譜中應(yīng)力級別σ_i的概率；N_i為單一應(yīng)力σ_i作用下使材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可根據(jù)修正后的材料p-S-N曲線計算公式得到；N_總為載荷譜作用下估算的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)。

本發(fā)明所述步驟(5)中，修正后的材料p-S-N曲線計算公式為：

式中，a_p、b_p為存活率為p的材料參數(shù)；σ_-1為疲勞強度極限；N_p為存活率為p時的疲勞壽命。

本發(fā)明所述步驟(5)中，轉(zhuǎn)換為以年為單位的疲勞壽命的轉(zhuǎn)換公式為：

式中，n為以年為單位計的疲勞壽命；N為通過修正邁因納法則公式計算得到的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)；N₀為軋機1年內(nèi)軋制的次數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明可以有效、快捷和準(zhǔn)確的根據(jù)實際加載情況預(yù)測軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命。

本發(fā)明是在保證計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上，將有限元分析結(jié)果和數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法相結(jié)合，對實測的載荷譜進行分析和壓縮，解決了現(xiàn)有疲勞壽命計算方法中計算量大、計算復(fù)雜等問題，具有較高的適用性和可操作性，工程實用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所涉及的十字萬向接軸和長轉(zhuǎn)矩軸的三維有限元模型。

圖2是本發(fā)明的軋機傳動部件的疲勞壽命預(yù)警方法技術(shù)流程圖。

圖3是本發(fā)明實例中實測得到的載荷譜圖。

圖4是本發(fā)明實例中經(jīng)過處理后獲得的應(yīng)力譜圖。

圖5是本發(fā)明實例中經(jīng)過雨流計數(shù)獲得的應(yīng)力循環(huán)的幅值直方圖(a)、均值直方圖(b)以及合成的三維直方圖(c)。

圖6是本發(fā)明實例中獲得的等效應(yīng)力幅值直方圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例子來進一步說明本發(fā)明。

下面通過實例對本發(fā)明的一種基于載荷譜分析的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)警方法作詳細(xì)說明。

本發(fā)明的主旨在于，對實測得到的載荷譜進行有效、快速的轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換得到的應(yīng)力譜進行波形分類、壓縮去噪、峰谷值提取和數(shù)學(xué)統(tǒng)計，獲得等效應(yīng)力譜直方圖，之后以此為基礎(chǔ)，結(jié)合材料的疲勞性能參數(shù)，應(yīng)用修正邁因納法則對傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行疲勞壽命預(yù)測。本發(fā)明中，疲勞壽命的計算過程簡單快捷，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

參見圖2。

一種基于載荷譜分析的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命預(yù)警方法，包括如下步驟：

1.通過對軋機工作過程中的實時監(jiān)測，得到軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件在軋制周期內(nèi)所受的載荷譜；

在本發(fā)明中，軋制周期指從軋件被咬入到拋出的整個過程，實測得到的載荷譜是多個軋制周期內(nèi)軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件所受的載荷譜。本例中實測得到載荷譜如圖3所示。

2.基于計算機仿真技術(shù)建立傳動裝置的三維模型和有限元模型，得到軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布規(guī)律以及應(yīng)力與載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

基于計算機仿真技術(shù)建立傳動裝置的三維模型和有限元模型的步驟為：

(1)對軋機傳動軸系統(tǒng)進行測量，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的三維模型和有限元模型，傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的三維模型和有限元模型包括但不限于十字萬向接軸、長轉(zhuǎn)矩軸和十字萬向接軸叉頭，如圖1所示，并應(yīng)根據(jù)實際情況添加材料參數(shù)和邊界條件；

(2)以軋制周期內(nèi)的平均載荷工況為載荷邊界條件進行靜力學(xué)分析，獲得靜力作用下傳動系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況；

(3)以不同力矩作為載荷邊界條件進行靜力學(xué)分析，獲得相應(yīng)的應(yīng)力分布情況；

(4)上述計算和仿真過程全部基于軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件小變形假設(shè)，即任一零部件的任一應(yīng)變分量不超過5％。

根據(jù)軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件所受的應(yīng)力分布，找出疲勞損傷集中的位置，同時根據(jù)以不同力矩作為載荷邊界條件，得到應(yīng)力和載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，在本例中，計算出的應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換系數(shù)為k＝0.1025MPa/kNm。

3.基于步驟2中所獲得的應(yīng)力與載荷的轉(zhuǎn)換系數(shù)，對步驟1中所測得的載荷譜進行轉(zhuǎn)換處理，獲得相應(yīng)的應(yīng)力譜，并對得到的應(yīng)力譜進行波形分類、壓縮去噪和峰谷值提取的處理；

在本發(fā)明中，應(yīng)力譜去噪處理的依據(jù)是應(yīng)力對零部件造成疲勞損傷的貢獻度，其方法是四點法算法，其目的是刪除幅值小于閾值的低貢獻量應(yīng)力循環(huán)，以壓縮待處理的應(yīng)力譜，減少計算量。應(yīng)力譜峰谷值提取是指提取應(yīng)力譜中組成應(yīng)力循環(huán)的拐點，其方法是三點比較法，其目的是刪除應(yīng)力譜中不影響疲勞壽命的非拐點，以進一步壓縮待處理的應(yīng)力譜，減少計算量。在本實例中，處理后的應(yīng)力譜如圖4所示。

4.應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對步驟3中處理后的應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，并基于統(tǒng)計的結(jié)果編制出等效應(yīng)力幅值直方圖；

應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，并基于統(tǒng)計的結(jié)果編制出等效應(yīng)力幅值直方圖的具體步驟包括：

(1)應(yīng)用循環(huán)雨流計數(shù)法對步驟3中得到的應(yīng)力譜進行統(tǒng)計，得到應(yīng)力循環(huán)的幅值S_ai和均值S_mi及其所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n_ai和n_mi，此步驟統(tǒng)計后的結(jié)果以直方圖的形式示于圖5。

(2)基于古德曼曲線對雨流計數(shù)中的獲得的應(yīng)力循環(huán)的幅值和均值進行等效轉(zhuǎn)換，獲取等效應(yīng)力幅值。

在本實例中，獲取的等效應(yīng)力幅值直方圖示于圖6。

5.根據(jù)步驟4中編制的等效應(yīng)力幅值直方圖，結(jié)合材料的疲勞性能參數(shù)，應(yīng)用修正邁因納法則計算軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，并將之轉(zhuǎn)換為以年為單位的疲勞壽命。

在本發(fā)明中，材料的疲勞性能參數(shù)包括：材料的疲勞極限σ_-1、與存活率(置信度)有關(guān)的材料參數(shù)a_p和b_p、有效應(yīng)力集中系數(shù)K_σ、絕對尺寸系數(shù)ε、表面加工系數(shù)β以及疲勞安全因子n_-1。本例中是考慮了以上所有影響疲勞壽命計算的參數(shù)，如表2.1所示。

表2.1傳動軸的相關(guān)參數(shù)

修正邁因納法則的計算公式為：

式中，P_i為等效應(yīng)力譜中應(yīng)力級別σ_i的概率；N_i為單一應(yīng)力σ_i作用下使材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可根據(jù)修正后的材料p-S-N曲線計算公式得到；N_總為載荷譜作用下估算的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)。

修正后的材料p-S-N曲線計算公式為：

式中，a_p、b_p為存活率為p的材料參數(shù)；σ_-1為疲勞強度極限；N_p為存活率為p時的疲勞壽命。

本發(fā)明所述步驟5中，轉(zhuǎn)換為以年為單位的疲勞壽命的轉(zhuǎn)換公式為：

式中，n為以年為單位計的疲勞壽命；N為應(yīng)用修正邁因納法則計算得到的軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)；N₀為軋機1年內(nèi)軋制的次數(shù)。

對本實例中的軋機的工況進行分析后，得到軋機1年內(nèi)軋制的次數(shù)約為1080000次。在本實例中，應(yīng)用修正邁因納法則計算得到的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為5688031次，即5.267年。

以上僅就本發(fā)明的一個實例作了說明，但不能理解為是對權(quán)利要求的限制。本發(fā)明不僅局限于以上實例，其疲勞壽命計算時，對象的疲勞壽命參數(shù)允許有變化?？傊?，凡在本發(fā)明獨立權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)所作的各種變化均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。