宝钢5000mm厚板轧机是世界上第一架采用十字轴式万向接轴作为主传动轴的厚板轧机,也是迄今为止国内最先进的轧机。宝钢厚板轧机主传动系统由电机、减速箱、分配箱、联接轴、联轴器等组成,其具有传递扭矩大、应力大、冲击大、尺寸受空间严格限制等特点。自投产以来,宝钢厚板轧机的主传动系统多次发生断裂的特大设备事故。主要失效形式有,法兰过渡圆角部位断裂、激光修复后万向节叉头断裂,严重影响了厚板轧机的正常生产,大大增加了设备检修和备品备件的成本。为解决厚板主传动轴异常断裂的问题和提高其修复技术,有必要对主传动系统进行相关分析。本文将有限元分析技术和实验研究相结合,探讨主传动轴异常断裂的原因,分析断裂叉头的失效机理。探明失效原因后,有必要开展激光修复工艺的研究工作,取得了下列研究成果:第一,建立了厚板轧机主传动系统的数学模型。通过MATLAB对数学模型进行仿真分析,得到了主传动系统的固有频率和扭矩放大系数(TAF);根据轧机设计原则,结果表明:厚板轧机设计是合理的;对厚板轧机的现场扭矩进行了测试,测试结果的频谱分析和仿真计算结果基本吻合,验证了数学模型的正确性,进一步证明了轧机主传动系统设计的合理性。第二,对经常发生断裂的主传动系统法兰圆角和叉头处进行了有限元和工程力学方法分析。计算结果得出,在稳态轧制力矩为4000 kN·m时,60mm和80mm的法兰圆角半径其最大等效应力值分别为111MPa和101MPa;圆角弧度为2mm、60mm、80mm其安全系数分别为1.4,、3.131、3.269,由此可见,法兰过渡圆角过小是造成主传动轴法兰断裂的根本原因,提出加大过渡圆角的改进建议,应用到现场后,杜绝了主传动轴法兰断裂的设备事故;还得出叉头的最大等效应力为361.196Mpa,远低于材料的屈服应力,叉头应属于疲劳失效断裂,计算出叉头疲劳安全系数仅为0.303,远低于其设计要求,在现有载荷条件下疲劳寿命严重不足是叉头多次断裂失效的原因,提出了降低轧机载荷的改进措施,避免了新品万向节叉头断裂的设备事故。第三,对断裂的叉头进行失效机理分析。通过对万向节叉头进行宏微观断口形貌分析、化学成分分析、机械性能测试、金相组织分析,得出叉头的断裂形式为疲劳断裂,其疲劳断裂的主要原因除了叉头设计寿命不足外,叉头轴承孔工作面及次表层的激光熔覆、局部补焊缺陷产生了裂纹源,在周期应力的作用下,疲劳裂纹加速扩展,最终导致叉头的断裂。失效机理分析结果表明:不恰当的激光熔覆工艺是造成激光熔覆叉头在短期内即发生断裂失效的根本原因。第四,在失效分析的基础上,对万向节的修复工艺进行研究。根据万向节叉头的材料性能、使用工况以及应力状态等,选择两个不同部位(叉头和叉头法兰处)和两种不同Ni选择了进行激光熔覆工艺研究,对表面硬度、残余应力和金相组织检测结果进行分析,得出Ni基粉末DL2在低残余应力部位熔覆效果更好,从而得出了适合叉头的激光熔覆工艺。通过上机考核试验,新工艺熔覆的叉头,到目前其使用寿命已经超过了3个月,远远高于原先熔覆工艺3周的使用寿命。厚板轧机主传动轴为大扭矩(最大实测扭矩为7000KNm)、高应力并承受强烈冲击的机械零件。激光熔覆作为一门新兴技术,其具有不同与常规堆焊、电镀、喷涂等工艺的一些特点和优势,正在日益广泛地应用于工业上。对激光熔覆技术在大扭矩、高应力机械零件的修复方面应用的研究,有助于拓展激光熔覆技术的工业应用,也有助于提高大型机械传动零件修复和再制造的技术水平。