加热炉步进梁连杆故障诊断与损伤机理

0 前言

加热炉步进机构是轧钢车间负责运送钢坯进出加热炉的核心机构[1-4]。作为叠层式结构框架，其起升与平移动作是关系结构运行是否平稳的关键。平移部分的传动采用了连杆摇臂传动结合液压推动，上框架为整体平动排架，由液压缸推动平台作水平方向运动；机构下部分的运动形式为：首先由水平液压缸推动下连杆，下连杆和平行摇臂铰接，四根平行摇杆通过连杆铰接完成平行运动，从而完成下部分框架的整体提升运动。当钢板输送到框架上时，再又平行液压缸3推动上框架整体平移运动完成整个输送动作。可见，连接四根平行连杆的下连杆6的作用十分重要。

根据结构受力情况可以推断，进口处连杆在整个下连杆机构中承受了较大载荷，在加热炉推钢循环中也多次产生疲劳裂纹甚至断裂。为此，许多学者对类似事故的产生根源展开探寻：何斌强[5]将滑块的焊接方式从骑卡式改为满焊式，从优化工艺入手，有效解决了因为掉滑块而造成的排架振动问题；湛从昌等人[6]采用比例控制系统代替原AD阀和极限开关的控制方式，有效提高了系统的稳定性和控制精度；鲁照权等人[7]对步进梁运动速度设计了基于负载观测的前馈鲁棒复合控制，实现了速度的准确跟踪。但到目前为止，加热炉连杆断裂事故依旧偶有发生，尽管发生频率相比以前有所降低。因此，设计一套切实可行的贴片测试方法，直接对事故部位进行服役过程中的在线测试，分析造成连杆异常疲劳裂纹甚至断裂的根本原因，是亟需解决并深入探讨的科学与工程实际问题。

1 断裂位置及截面形状

图1为加热炉升降平移机构框架简图。由前面描述可知，连接四根平行连杆的下连杆6的作用十分重要，在它的衔接下，上下液压缸才能够配合作动完成整个步进梁系统的提升和平移。在加热炉服役过程中，端部连杆多次出现疲劳裂纹甚至断裂(图2)。从图中不难看出，疲劳断口位于关节铰接根部位置，并且断口图中所示位置可以明显看出疲劳弧线痕迹，且多位于断裂连杆断口正下方的位置。经过估算，该处纹路的覆盖面积达到横截面积的1/5左右，综合观察到的现象可以推断断裂的性质属于疲劳断裂范畴。基于经验判断的基础，为了找出连杆屡次出现裂纹、断裂的本质，首先进行了带载状态下的贴片应力测试，获取连杆工作过程中的应力变化数据；之后根据所测得的数据与历史生产钢坯规格型号，做出了问题杆件的载荷谱并据此完成了杆件的疲劳分析，尝试找出了连杆裂纹、断裂的因素并给出了实际可行的解决办法。

图1 加热炉升降平移机构框架简图

图2 连杆断口位置与截面图

2 连杆现场应力测试

2.1 测点的选择与测试电路的组建

现场测试就受损部位—下框架连杆进行贴片布点，贴片方向、个数与位置如图3所示，在靠近端部位置贴四片电阻应变片，采用全桥组桥方式，上下各两片，片与片之间按照垂直贴法(轴向方向为工作应变片，周向方向为变形补偿片)。

图3 步进梁端部连杆测点布置图及组桥电路

2.2 应力测试数据

由于测试是在服役过程中进行的，实际生产中该批次每块装载钢坯的重量为22 t，按照满载运行状态下进行实时测量，从下液压缸的推出提升到上液压缸的推出平移一个完整循环下记录的应力曲线如图4所示。可以看出，测试到的在整个装载运输循环中的应力极限值是103.8 MPa。

图4 应力曲线

3 编制测点载荷谱

绘制测点载荷谱有利于全面掌握测点所在结构整体的受力分布状况。但是载荷谱的编制需要有一定的基础数据作为统计基数。该次现场应力测试只对22 t批次的钢坯进行了完整循环下的测试，因此数据量远远不够，按照理论要求需要对该加热炉服役过程中所接受的所有规格钢板的受力应力状态进行测试记录。但显然实际条件不允许，可是通过测试分析可以看出，测点处应力数值与加热炉中钢板重量近似呈现线性比例关系，因此可以根据相对容易获取到的已经轧制完成的所有钢坯型号、重量数据首先绘制出重量分布直方图(图5)，然后再按照测试得到的一个完整循环下的103.8 MPa的极限应力-重量比照对应做出完整载荷谱(图6)。

图5 自生产以来钢坯重量分布

图6 测点应力峰值载荷谱

4 疲劳寿命估计

利用载荷谱表现的测点极限应力值为非对称循环应力下的谱值(r=0)，这与经典材料寿命估算用到的前提P-S-N曲线不符合，该曲线要求载荷需要满足对称循环条件，即r=-1时才可以应用载荷谱数据估算零件寿命概率，非对称循环下的载荷谱无法适用。为了解决这一问题，需要通过经验公式(公式1)将非对称循环应力转换为当量状态下的循环对称应力。根据机械设计手册可知，脉动循环与对称循环条件之间可以按照以下转换关系进行疲劳应力的转换计算：

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PTMC患者的治疗与管理一直存在争议[13-16]。鉴于多灶性病变的高发病率，TT曾被认为可更大程度地消除所有病灶而改善预后。然而本研究TT并未改善PTMC患者预后。因此，本研究结果支持对于大多数没有危险因素的PTMC患者可行腺叶切除，其疗效与TT基本相同且并发症风险显著低于TT。如前所述，远处转移高度提示患者不良预后。TT结合术后放射性同位素治疗是分化型甲状腺癌远处转移公认最为有效的治疗方法，此外，也是术后随访探查远处转移病灶的重要检查方法。

R0=1.33R-1

(1)

式中，R0为脉动循环应力；R-1是对称循环应力。

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根据手册还可知，受载部件的尺寸对两种应力状态的转换关系有一定影响。由于此次测试部件截面较大(d=180 mm)，在转换时还应考虑加入尺寸影响系数，通过查阅手册[8]可知，截面尺寸d=180 mm时的尺寸影响系数可取ε=0.766 7。即

(2)

式中，R为根据载荷谱得到的应力。

根据上面公式，将图6测点脉动循环应力峰值载荷谱图转换为同等载荷条件下的对称循环应力峰值载荷谱图(图7)。

图7 转换后的应力峰值载荷谱图

测试连杆为42CrMo，其P-S-N曲线为：

lgNP=aP+bPlgσ

(3)

式中，NP为循环次数；αP和bP为寿命曲线参数，其取值可以查手册得出[9]：在标准对称循环应力作用下(r=-1)，42CrMo材料在置信度是99.9%时的αP,bP查得列于表1，进而可以根据式(2)计算得到当循环次数为1×107时的疲劳极限R-1。

表1 42CrMo在99.9%置信度下的ap,bp及疲劳极限R-1

置信度(%)aPbPR-1/MPa99．915．5-3．96141

经典理论认定，零件在低于疲劳极限的循环应力作用下运行时，是不会出现疲劳性的损伤。但是，根据现场经验以及试验发现，当零件在低载同时经过热处理之后作用时，零件会发生破坏，其内部会首先出现微裂纹。而一旦发生裂纹，零件内部的裂纹就会在低于疲劳极限R-1的低载荷作用下快速持续发展和扩张，最终使零件出现疲劳损伤。文中测试中的连杆正是基于此条理论：根据受力分析可知连杆本身受力很高比例是低于材料疲劳极限的，但是现场高温环境的作用，使得材料本身的疲劳寿命无法再根据经典理论预估，要考虑热处理过后低于疲劳极限受力对材料寿命影响，即要对传统曲线进行修正。通过查手册可知修正方法为：将经典曲线中对数曲线部分中小于疲劳极限应力的部分采用bP-2的方式取代，其中bP为高于疲劳极限斜率。按照以上处理办法，则将修正以后的P-S-N曲线表示为式(4)[10]：

(4)

此时再根据修正的疲劳寿命理论，即修正的 Miner准则可以知道，在研究对象的全疲劳寿命周期中，其内部任何一个位置的应力循环次数与总应力循环次数的关系为ni，可以按照下式计算：

ni=Pi×N总

(5)

式中：ni是研究对象任一位置的应力循环次数；N总是总应力循环次数；Pi是任一位置的循环概率。

根据修正的Miner准则，当临界损伤系数a=0.7，即当式(6)满足时，研究对象就会发生严重疲劳损伤。

由表7可知，随着出血状态效用值的降低，ICER值在不断升高；当出血状态效用值达到最小值0.88时，ICER达到最大值3 409.420 1元/QALY，此时阿司匹林用于CVD一级预防仍是具有经济学优势的。因此，对各转移状态的效用值进行确定性敏感性分析的结果证实这一经济学评价结果是稳定的。

(6)

式中：D为损伤系数；a为临界损伤系数；Ni是对应任一位置应力循环总次数。

由式(5)和式(6)可得：

本刊讯：据《五粮液集团》报道，2018年11月23—24日，由中国百强论坛组委会、华顿经济研究院主办的“第十八届中国上市公司百强高峰论坛暨第四届中国百强城市全面发展论坛”在北京举行。四川五粮液股份公司以2017年度实现利润总额133.92亿元排名“2018年中国上市公司百强排行榜”第46位，获得“中国百强企业奖”。（江源荐，黄筱鹂编辑）

N总

(7)

根据工艺参数记录，目前一台步进梁每年需要完成的工作量在20～120万吨，这里就按照每块钢板平均重量为20 t计；同时需要考虑每块钢板所占用的步进梁系统循环次数：按照现已生产的钢板宽度为1 200 mm、平移液压缸的整个行程为600 mm，可以估算出每从加热炉中完成三次平移完成一块钢板的运送，如此计算连杆每年的运动次数约为1.3×105左右。如此便可根据下式估算出连杆的疲劳寿命：

师者，父母心。在学生面前，教师必须是天使，是最值得信任的人。我们每做出一项教育行为，首先要想到的是它会落到“人”的身上。你的做法对，就会鼓励人、感动人；像周某一样粗暴，就会激怒人、伤害人。善意之所以可贵，不仅仅在于它容易被人接受，更在于它在终极上能使人与人之间相互信任，促进师生之间的融合。

(年)

(8)

式中，T是总疲劳寿命。

根据经验，当零件能承受1×109以上循环时对其寿命忽略不计，只计及1×109以下循环时零件的疲劳寿命，约为75.5年。因此，按照疲劳寿命预测理论得出结论，零件疲劳设计寿命满足使用要求，断裂是由其他原因造成。

5 步进梁杆件断裂原因讨论与结构改进措施

图8所示为受力分析图。机构在做提升运动时，水平液压缸首先推动连杆，通过铰接带动摇杆绕铰接点逆时针旋转，此时铰接点会作用产生附加弯矩在摇杆上。具体受力顺序为，摇臂绕铰接轴承旋转，将弯矩通过传到下连杆，在下连杆靠近铰接就会产生附加弯矩，如此一来，连杆上除了承受摇杆带动之外，还承受了附加弯矩的作用，因此就造成连杆内部的拉应力不对称，其中上部分拉应力小于下部分。杆件在非对称应力长期作用下，以该横截面为损伤源，会产生疲劳裂纹并扩展，最终表现为杆件的疲劳断裂。

可持续发展着重点放在生态环境的保护和旅游资源的合理利用上，旅游业要实现可持续发展，不仅应兼顾旅游业与经济社会发展水平的协调性，也要考虑生态环境对旅游业发展规模的承载力，同时对旅游业自身以及相关行业的基本情况进行系统化分析，制定一个合理的旅游发展战略，促进旅游业健康、持续的发展。

通过分析发现，连杆疲劳断裂的原因是杆件在靠近铰接轴承位置处承受了非对称应力，需要通过以下工艺或结构改进的方法有效改善杆件上不合理的受力状况，同时还要通过对结构的微小改动达到提升承载能力：

(1)改善如图9(图8中3所在位置)的润滑状况，可以有效降低附加弯矩，改善杆件内部受力情况；

(2)在杆件弯矩最大位置增设焊接筋板，提升杆件承载能力，筋板焊接位置及尺寸如图9所示。

图8 连杆部分机构的结构受力简图

图9 加设筋板位置示意图

6 结论

通过改善润滑状况和在杆件弯矩最大位置增设焊接筋板，有效削弱了杆件上的附加弯矩，有效提高了杆件抗弯矩的能力，杆件上整体受力状况得到了很大的改善。该热轧厂采纳整改意见后，加热炉步进梁传动装置及步进梁杆件正常运转，再未出现裂纹。

为了探寻加热炉步进梁连杆断裂的原因，对步进梁连杆进行贴片并现场应力测试，绘制了加热炉满载时连杆的应力记录曲线；之后结合该曲线与该厂该机历史生产钢坯品种统计数据，绘制了连杆应力载荷谱并进行了疲劳强度校核。分析得出，连杆的疲劳寿命满足设计生产的要求，断裂是由连杆铰接处轴承的附加弯矩造成的，通过改善该轴承的润滑条件可以显著降低此附加弯矩；同时在杆件弯矩最大位置增设焊接筋板，有效提高了杆件抗弯矩的能力，杆件上整体受力状况得到了很大的改善。通过现场实测、理论分析及工艺方法的改进，此类事故再未出现，保障了工业化连续生产的要求。

参考文献

[1] 程健. 步进式加热炉钢坯运动控制研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文,2016.

[2] 钱晓阳. 加热炉步进梁速度控制系统研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文,2016.

[3] 刘世庆.可编程序控制器在加热炉步进机构控制中的应用[J].四川冶金,1997(04):76-79.

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[5] 李坚，王佳杰，张颖. 改性防结垢涂层在原油加热炉管上的应用[J]. 焊接，2006(12): 32-34.

[6] 鲁照权，李阳，钱晓阳，等. 基于负载观测的步进梁速度前馈鲁棒复合控制[J]. 制造业自动化，2015，37(6): 41-45.

[7] 王庆祁，朱长华. 步进式加热炉水梁与耐热滑块焊接[J]. 焊接，1996(1): 20-21.

[8] 秦大同. 机械设计手册. 第6卷，第27篇[M]. 北京:化学工业出版社，2011.

[9] 徐灏. 机械设计手册. 第2卷，第11篇[M]. 北京:机械工业出版社，1991.

[10] 殷泉珠. 压力机平行缸滑块的氧乙炔补焊[J]. 焊接，1987(12): 21-21.