李寧

摘要：馬鋼某廠11輥矯直機(jī)，從德國西馬克公司引進(jìn)，在使用的10多年里，曾出現(xiàn)了一些問題，特別是萬向軸斷裂，影響了正常生產(chǎn)，針對(duì)該問題，本文對(duì)矯直機(jī)萬向軸進(jìn)行了強(qiáng)度分析，確認(rèn)了萬向軸強(qiáng)度合格，對(duì)該問題的進(jìn)一步研究給出了方向性的建議。

關(guān)鍵詞：矯直機(jī);萬向軸;斷裂;強(qiáng)度

0 ?引言

萬向聯(lián)軸器又稱萬向軸，屬于剛性可移式聯(lián)軸器，用于聯(lián)接軸線相交、平行或交錯(cuò)的兩軸，以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。這種聯(lián)軸器能夠在兩軸軸線夾角發(fā)生變化時(shí)，保證所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，可靠地傳遞較大扭矩。同帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，它所傳遞的扭矩范圍較大，而且結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，維修保養(yǎng)也比較方便，具有其它機(jī)構(gòu)不可替代的明顯優(yōu)點(diǎn)[1]。

按萬向軸在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)又可分為不等速萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)三種。十字軸式剛性萬向具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于允許相鄰兩軸的最大交角為15～20°，所以不能傳遞等角速轉(zhuǎn)動(dòng)。常見的準(zhǔn)等速萬向節(jié)有雙聯(lián)式和三銷軸式兩種，它們的工作原理與雙十字軸式萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)的原理是一樣的。目前轎車上常用的等速萬向節(jié)為球籠式萬向節(jié)，也有采用球叉式萬向節(jié)或自由三樞軸萬向節(jié)的。

1 ?傳動(dòng)系統(tǒng)

矯直機(jī)被要求有安全、穩(wěn)定、能適應(yīng)不斷改進(jìn)需要的傳動(dòng)系統(tǒng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用電機(jī)、減速齒輪分配箱、安全聯(lián)軸器、萬向接軸、矯直輥的傳動(dòng)方式。矯直機(jī)矯直鋼板時(shí)，由于長度方向發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致鋼板與矯直輥速度差可達(dá)到3%[2]，因而產(chǎn)生附加扭矩，易導(dǎo)致接軸和齒輪損壞，該廠11輥矯直機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，由電機(jī)、分配減速機(jī)、11根萬向接軸組成，傳動(dòng)11個(gè)工作輥，萬向接軸采用十字軸接軸，其上裝有安全打滑聯(lián)軸器，用于在瞬時(shí)扭矩過大時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)從而保護(hù)減速箱。

在該傳動(dòng)系統(tǒng)中，矯直機(jī)總共11件，分上下兩層安裝，層5件，下層6件，上下層單獨(dú)分布如圖2所示。

萬向接軸的應(yīng)力分析與強(qiáng)度校驗(yàn)常用的方法有理論分析法、光彈實(shí)驗(yàn)?zāi)M法和有限元分析法三種[3]，本文采用理論分析法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

在該廠生產(chǎn)的權(quán)限工況中，屈服強(qiáng)度最大的鋼板是X60，厚度20mm，屈服強(qiáng)度？滓s=？叟60kpsi=413.8Mpa，生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)最大扭矩TX60=12.91KN·m。

2 ?中間接軸強(qiáng)度計(jì)算

在該矯直機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，萬向軸主要用于傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)至矯直輥，因此符合傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算條件，本文根據(jù)萬向軸所受的扭矩來計(jì)算其的強(qiáng)度。

實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

空心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

，其中？茁即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常??？茁=0.5-0.6;

？子T為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。

式中 ?T——軸受的扭矩;

WT——軸的抗扭截面系數(shù);

n——軸的轉(zhuǎn)速;

P——軸傳遞的功率;

d——計(jì)算截面處軸的直徑;

[？子T]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查表得？滓s=235MPa，[？子T]取其屈服強(qiáng)度的0.6-0.8倍，安全起見取0.6，即[？子T]=141Mpa。

萬向軸中間接軸由兩部分組成，較短的一段為實(shí)心軸，較長一段為空心軸，分別引用公式1和2計(jì)算兩部分接軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，如下：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已知條件，有

T=12.91KN·m，d實(shí)=95mm，d空=138mm，？茁=0.54（0.915），[？子T]=141Mpa。

？子T1=75.29Mpa

？子T2=26.84Mpa

可得，？子T1？燮[？子T]，？子T2？燮[？子T]

故萬向軸中間接軸部分強(qiáng)度合格。

3 ?十字軸強(qiáng)度校核

本文所研究的萬向軸的傳動(dòng)傾角相對(duì)較小，可以忽略簡化，將十字軸整體的受力情況簡化為圖3所示，作用于十字軸上的大小相同方向相反的兩對(duì)力偶處于十字軸軸線平面內(nèi)[4]。

十字軸的材質(zhì)42CrMo，查得屈服極限？滓s=930MPa，？滓b=1080MPa， [？滓]=558MPa，H=225mm，R=90mm，S=15mm，d=60mm，d1=0mm，

由TC=KMg

式中 ?K——工作條件系數(shù)，取為1.1～1.3;

Mg——最大力矩，按上文計(jì)算為12.91KN·m;

式中 TC——聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩;

R——十字軸中心到軸徑中部的距離;

s——軸徑中部至軸肩的距離;

d——軸徑直徑;

[？滓]——許用彎曲應(yīng)力;

帶入數(shù)據(jù) ，求得

所以十字軸強(qiáng)度合格。

4 ?結(jié)論

通過以上計(jì)算可以初步確定萬向軸實(shí)心軸段發(fā)生斷裂并非萬向軸本身的選材選型和尺寸設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)該對(duì)已斷裂的萬向軸進(jìn)行成分檢測(cè)，來進(jìn)一步排除加工或熱處理的問題。

另外，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的連接萬向軸與減速箱輸出軸的安全打滑離合器的工作狀態(tài)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，在萬向軸出現(xiàn)斷裂時(shí)，該安全打滑離合器并未產(chǎn)生滑動(dòng)，據(jù)此推測(cè)是否該離合器設(shè)定數(shù)值不合理，因此，接下來需要對(duì)安全打滑離合器進(jìn)行測(cè)試，在此不做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慕文，井勇，張昌義，等.萬向軸在橋式起重機(jī)大車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用[J].冶金設(shè)備，2002（5）：31-34.

[2]戴周淵.軋鋼機(jī)萬向連接軸的研究和計(jì)算[M].冶金工業(yè)出版社，1957.

[3]臧勇.滑塊式萬向軸的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2002（12）：25-27.

[4]王革，陳大宏，閆軍，等.萬向軸叉頭強(qiáng)度分析[J].華東冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，12（3）：284-289.