ESP热连轧机组卷取机液压马达支架断裂原因分析

穆允全+林圣平+张京忠

摘 要：ESP连轧机组卷取机提升小车液压马达支架法兰盘自投产后多次出现断裂，影响正常生产组织，事故发生后通过材料成分分析、简化建模有限元分析等手段找出断裂原因，并制定改进方案，保证设备稳定运行。

关键词：卷取马达支架；断裂失效；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.032

1 断口形貌分析

此生产线提升小车马达自投产后支架法兰盘多次出现断裂，断裂位置为相互对称的螺栓孔（图1-1）。

断裂法兰盘的断口如图1所示，断口平整且光亮，无明显的伸长或者弯曲，并且断裂是由外侧螺纹处即法兰非接触面（图1-3）向内侧（图1-4）扩展，裂纹源为螺纹处，图1-4处为瞬断区。

2 成份分析

通过查阅图纸确认原设计材料为德标S355 J2G3，对应的国标为Q345-D，对断裂材质化验的结果如下表1，最新标准下的Q345与Q235成分见表2。

从表1与表2的对比中发现，法兰盘的材质并不是Q345-D，而是Q235-A，所用材质与名义材质明显不符。

3 有限元分析

查阅设计图纸及相关技术资料可知，断裂部位的厚度为25mm，马达齿轮的最大扭矩为431.2daNm=4312 N﹒m。齿轮受力点距轴心的距离为112.5mm。通过对比实际工况，将模型简化为图2中结构，其中部件1表示断裂的马达支架，部件2表示行走齿轮及相应的法兰。正常行走状态下，依靠马达提供的动力，使齿轮沿着齿条转动，带动小车前后移动。根据齿轮的扭矩及相应的力矩计算得在齿轮与齿条接触点处的力为38328.9N，从图2中可以看到断裂螺栓孔处出现应力集中，应力集中位置与实际断裂位置相同，其应力值为200MPa以上，最大处达到229 MPa。机械手册中Q235板厚为16-40mm时的屈服强度为225MPa，应力集中的螺栓孔处的应力值与材料的屈服强度相当，马达在使用过程中处在临界屈服位置。

若使用Q345，在厚度为16-40mm时，其屈服强度为325MPa，则安全系数为1.42<1.5。关于构件的安全系数，在屈服强度下，常规设计一般安全系数取值1.5，故Q345也不满足要求，需选用强度更高的材质，其中40Cr或42CrMo是满足要求的材质，其安全系数达到3.4以上。

4 其他

按照正常生產节奏计算平均每台提升小车一年经历100000次带负载状况下的启动和停车，马达支架的疲劳状态是导致马达支架断裂的另一重要的原因。

5 结束语

液压马达支架材质改进后安全系数及抗疲劳强度明显提升，改进后的支架上线后再未发生支架断裂事故，此事故隐患彻底消除。

参考文献：

[1]闻邦椿等.机械设计手册[M].机械工业出版社，2010.