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基于应变能的工作辊辊颈轴承段多轴疲劳寿命预测方法
MULTI-AXIAL FATIGUE LIFE PREDICTION METHOD OF WORKING ROLL NECK BEARING SECTION BASED ON STRAIN ENERGY
- 机械强度 2025年47卷第4期 页码：1-8
- 作者机构：
1.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030002
2.宝山钢铁股份有限公司 中央研究院，上海 201900
- 作者简介：
靳凯，男，1999年生，山西太原人，硕士研究生；主要研究方向为轧辊全寿命服役关键技术；E-mail：18135145963@163.com。
秦晓峰（通信作者），男，1987年生，山西吕梁人，博士，副教授；主要研究方向为轧辊全寿命服役关键技术、疲劳强度；E-mail：qinxiaofeng@tyut.edu.cn
- 基金信息：国家自然科学基金项目(51805355)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.001
中图分类号： TH12收稿日期：2023-08-12，
修回日期：2023-09-19，
纸质出版日期：2025-04-15
- 稿件说明：
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靳凯，秦晓峰，王永，等. 基于应变能的工作辊辊颈轴承段多轴疲劳寿命预测方法［J］. 机械强度，2025，47（4）：1-8.
JIN Kai，QIN Xiaofeng，WANG Yong，et al. Multi-axial fatigue life prediction method of working roll neck bearing section based on strain energy［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：1-8.
靳凯，秦晓峰，王永，等. 基于应变能的工作辊辊颈轴承段多轴疲劳寿命预测方法［J］. 机械强度，2025，47（4）：1-8. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.001.
JIN Kai，QIN Xiaofeng，WANG Yong，et al. Multi-axial fatigue life prediction method of working roll neck bearing section based on strain energy［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：1-8. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.001.
摘要
工作辊辊颈轴承段经常因轴承卡死等出现烧伤失效问题，现场通常采用增材制造的方式进行修复，对修复后的辊颈进行寿命预测是现场生产预估工作辊安全服役并进行检修的关键，但目前缺乏针对相关问题的研究。针对上述问题，对四辊轧机工作辊辊颈轴承段进行了应力分析和多轴寿命预测。基于西姆斯（SIMS）模型和影响函数法计算得到了轧制力和辊间应力，在轴承段取矩建立辊颈端力矩平衡方程，建立了辊颈轴承段弯曲应力模型。将变形抗力视为单位体积的塑性变形能，计算得到了变形区的轧制力矩，建立了辊颈轴承段扭转切应力模型。使用第一强度理论，联立弯曲应力和扭转切应力得到了等效应力。选用多轴疲劳模型，在证明模型计算精度的基础上，对辊颈轴承段进行了疲劳寿命预测，并与实际轧辊在生产线的服役寿命进行了对比。结果表明，该四辊轧机工作辊辊颈轴承段应力计算模型符合实际的辊颈应力状态，理论模型预测得到的服役寿命与实际服役寿命相比，误差小于20%，满足工程实际误差的要求。
Abstract
The bearing section of the work roll neck often suffers burnout failure due to bearing seizure
and additive manufacturing is usually used in the field to repair it.Life prediction of the repaired roll neck is the key to predict the safe service of the work roll in the field production and carry out overhaul，but there is a lack of research on the related issues.In view of the above problems
the stress analysis and multi-axis life prediction of the working roll neck bearing section of the four-high mill were carried out.Based on the SIMS model and the influence function method
the rolling force and the stress between the rolls were calculated.The moment balance equation of the roll neck end was established in the bearing section
and the bending stress model of the roll neck bearing section was established.The deformation resistance was regarded as the plastic deformation energy per unit volume to calculate the rolling torque in the deformation zone
and the torsional shear stress model of the roll neck bearing section was established.Using the first strength theory
the equivalent stress was obtained by combining the bending stress and the torsional shear stress.On the basis of proving the calculation accuracy of the model
the multi-axis fatigue model was used to predict the fatigue life of the roll neck bearing section
and compared with the service life of the actual roll in the production line.The results show that the stress calculation model of the working roll neck bearing section of the four-high mill is in line with the actual stress state of the roll neck.The error between the expected service life predicted by the theoretical model and the actual service life is less than 20%
which meets the actual engineering error requirements.
关键词
Keywords
references
赵志国 . 热轧过程中轧辊的温度场和应力场分析 ［D］. 秦皇岛 ： 燕山大学 ， 2011 ： 1 .
ZHAO Zhiguo . Analysis of temperature field and stress field of roll during hot rolling ［D］. Qinhuangdao ： Yanshan University ， 2011 ： 1 . （In Chinese）
何云斌 . 激光熔覆再制造高速钢轧辊摩擦磨损及热疲劳损伤研究 ［D］. 合肥 ： 合肥工业大学 ， 2023 ： 1 - 3 .
HE Yunbin . Research on friction and wear and thermal fatigue damage of laser cladding remanufacturing high speed steel roll ［D］. Heifei ： Hefei University of Technology ， 2023 ： 1 - 3 . （In Chinese）
甘磊 ， 吴昊 ， 仲政 . 基于能量法的多轴疲劳预测方法 ［J］. 固体力学学报 ， 2019 ， 40 （ 3 ）： 260 - 268 .
GAN Lei ， WU Hao ， ZHONG Zheng . Multiaxial fatigue prediction method based on energy method ［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics ， 2019 ， 40 （ 3 ）： 260 - 268 . （In Chinese）
赵丙峰 ， 谢里阳 ， 徐国梁 ， 等 . 多轴疲劳寿命预测方法 ［J］. 失效分析与预防 ， 2017 ， 12 （ 5 ）： 323 - 330 .
ZHAO Bingfeng ， XIE Liyang ， XU Guoliang ， et al . Multiaxial fatigue life prediction method ［J］. Failure Analysis and Prevention ， 2017 ， 12 （ 5 ）： 323 - 330 . （In Chinese）
LEE B L ， KIM K S ， NAM K M . Fatigue analysis under variable amplitude loading using an energy parameter ［J］. International Journal of Fatigue ， 2003 ， 25 （ 7 ）： 621 - 631 ．
郝梦飞 . 基于临界面-能量法的榫连结构低周多轴疲劳寿命预测 ［D］. 成都 ： 电子科技大学 ， 2020 ： 10 - 13 .
HAO Mengfei . Low cycle multiaxial fatigue life prediction of mortise-tenon structure based on critical plane-energy method ［D］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology of China ， 2020 ： 10 - 13 . （In Chinese）
任重 ， 秦仙蓉 ， 张氢 ， 等 . 一种新的多轴疲劳寿命预测模型及其应用 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 723 - 728 .
REN Zhong ， Qin Xianrong ， ZHANG Qing ， et al . A new multiaxial fatigue life prediction model and its application ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 723 - 728 . （In Chinese）
刘光明 ， 陈曦 ， 李月 ， 等 . 四辊轧机轴承载荷分布及辊系弹性变形 ［J］. 塑性工程学报 ， 2016 ， 23 （ 1 ）： 73 - 78 .
LIU Guangming ， CHEN Xi ， LI Yue ， et al . Load distribution of bearing and elastic deformation of roll system in four-high mill ［J］. Journal of Plastic Engineering ， 2016 ， 23 （ 1 ）： 73 - 78 . （In Chinese）
童云春 . 辊颈受均布载荷的四辊轧机辊系变形探讨 ［D］. 武汉 ： 武汉科技大学 ， 2009 ： 23 - 28 .
TONG Yunchun . Discussion on roll deformation of four-high mill with uniform load on roll neck ［D］. Wuhan ： Wuhan University of Science and Technology ， 2009 ： 23 - 28 . （In Chinese）
秦晓峰 . 大型锻钢支承辊接触疲劳机理研究及修磨参数优化 ［D］. 沈阳 ： 东北大学 ， 2014 ： 67 - 80 .
QIN Xiaofeng . Research on contact fatigue mechanism of large forged steel backup roll and optimization of grinding parameters ［D］. Shenyang ： Northeast University ， 2014 ： 67 - 80 . （In Chinese）
冯巩 . 四辊轧机辊系中轧辊接触疲劳损伤模型研究 ［D］. 太原 ： 太原理工大学 ， 2022 ： 22 - 24 .
FENG Gong . Study on contact fatigue damage model of rolls in roll system of four-high mill ［D］. Taiyuan ： Taiyuan University of Technology ， 2022 ： 22 - 24 . （In Chinese）
王国栋 . 板形控制和板形理论 ［M］. 北京 ： 冶金工业出版社 ， 1986 ： 225 - 286 .
WANG Guodong . Flatness control and flatness theory ［M］. Beijing ： Metallurgical Industry Press ， 1986 ： 225 - 286 . （In Chinese）
王国栋 ， 张树堂 . 四辊轧机轧辊弹性变形的矩阵计算法 ［J］. 重型机械 ， 1982 （ 8 ）： 9 - 18 .
WANG Guodong ， ZHANG Shutang . Matrix calculation method for elastic deformation of roll in four-high rolling mill ［J］. Heavy Machinery ， 1982 （ 8 ）： 9 - 18 . （In Chinese）
李维刚 ， 谭树彬 ， 李家波 ， 等 . 热连轧机轧制力和轧制力矩模型研究 ［J］. 东北大学学报（自然科学版） ， 2011 ， 32 （ 5 ）： 622 - 625 .
LI Weigang ， TAN Shubin ， LI Jiabo ， et al . Research on rolling force and rolling torque model of hot strip mill ［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science Edition） ， 2011 ， 32 （ 5 ）： 622 - 625 . （In Chinese）
王平 ， 崔建忠 . 金属塑性成形力学 ［M］. 北京 ： 冶金工业出版社 ， 2006 ： 48 - 50 .
WANG Ping ， CUI Jianzhong . Plastic forming mechanics of metals ［M］. Beijing ： Metallurgical Industry Publisher ， 2006 ： 48 - 50 . （In Chinese）
陈明祥 . 弹塑性力学 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 2010 ： 3 .
CHEN Mingxiang . Elastic-plastic mechanics ［M］. Beijing ： Science Press ， 2010 ： 3 . （In Chinese）
孙淼 . 机翼结构多轴疲劳寿命预测方法研究 ［D］. 南昌 ： 南昌航空大学 ， 2016 ： 16 - 17 .
SUN Miao . Research on multiaxial fatigue life prediction method of wing structure ［D］. Nanchang ： Nanchang Aviation University ， 2016 ： 16 - 17 . （In Chinese）
刘俭辉 ， 赵贺 ， 冉勇 ， 等 . 基于临界面理论的多轴等效应变疲劳寿命预估模型 ［J］. 中国机械工程 ， 2022 ， 33 （ 15 ）： 1821 - 1827 .
LIU Jianhui ， ZHAO He ， RAN Yong ， et al . Multiaxial equivalent strain fatigue life prediction model based on critical surface theory ［J］. China Mechanical Engineering ， 2022 ， 33 （ 15 ）： 1821 - 1827 . （In Chinese）
SONSINO C M . Influence of material’s ductility and local deformation mode on multiaxial fatigue response ［J］. International Journal of Fatigue ， 2011 ， 33 （ 8 ）： 930 - 947 .
SMITH R N ， WATSON P ， TOPPER T H . A stress strain function for the fatigue of metals ［J］. Materials ， 1970 ， 5 ： 767 - 778 .
SAKANE M ， ZHANG S ， KIM T . Notch effect on multiaxial low cycle fatigue ［J］. International Journal of Fatigue ， 2011 ， 33 （ 8 ）： 959 - 968 .
GLINKA G ， SHEN G ， PLUMTREE A . A multiaxial fatigue strainenergy density parameter related to the critical fracture plane ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 1995 ， 18 （ 1 ）： 37 - 46 ．
CHEN X ， XU S ， HUANG D . A critical plane-strain energy density criterion for multiaxial low-cycle fatigue life under non-proportional loading ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 1999 ， 22 （ 8 ）： 679 - 686 .
尚德广 ， 孙国芹 ， 蔡能 ， 等 . 非比例加载GH416高温多轴疲劳行为研究 ［J］. 航空材料学报 ， 2006 ， 26 （ 6 ）： 6 - 11 .
SHANG Deguang ， SUN Guoqin ， CAI Neng ， et al . Multiaxial fatigue behavior of non-proportionally loaded GH416 at elevated temperature ［J］. Journal of Aeronautical Materials ， 2006 ， 26 （ 6 ）： 6 - 11 . （In Chinese）
孙楠楠 . 多轴疲劳寿命模型及其在曲轴强度分析中的应用 ［D］. 济南 ： 山东大学 ， 2015 ： 23 - 26 .
SUN Nannan . Multiaxial fatigue life model and its application incrankshaft strength analysis ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2015 ： 23 - 26 . （In Chinese）
全国标准化技术委员会 . 金属材料 疲劳试验 数据统计方案与分析方法 ： GB/T 24176—2009 ［S］. 北京 ： 中国标准出版社 ， 2010 ： 8 - 9 .
National Technical Committee for Steel Standardization . Metallic materials—fatigue testing—statistical planning and analysis of data ： GB/T 24176—2009 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2010 ： 8 - 9 . （In Chinese）
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