十字軸式萬向聯(lián)軸器十字軸總成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

夏清華，楊豐產(chǎn)，葛燕飛，劉火根

(泰爾重工股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

十字軸式萬向聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用于冶金、起重、礦山等行業(yè)，其承載能力和軸承壽命是聯(lián)軸器的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。一般根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)樣本中標(biāo)定的公稱轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選用，而目前現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的公稱轉(zhuǎn)矩等參數(shù)又有較大的差別。本文根據(jù)幾種常見的標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)定的公稱轉(zhuǎn)矩，對現(xiàn)有的兩種系列產(chǎn)品的實際尺寸進(jìn)行計算，并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析。通過對該產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其承載能力能夠達(dá)到現(xiàn)有的較為先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 十字軸總成結(jié)構(gòu)分析

十字軸總成是十字軸式萬向聯(lián)軸器的核心部件。如圖1所示，主要包括十字軸1、關(guān)節(jié)軸承2、擋圈3等零部件。其中十字軸和關(guān)節(jié)軸承影響萬向軸性能，聯(lián)軸器在承受轉(zhuǎn)矩作用下，十字軸承受彎曲作用力，十字軸根部圓弧處應(yīng)力最大，也是整個聯(lián)軸器最薄弱的部位。關(guān)節(jié)軸承由軸承外圈、圓柱滾子、密封圈等零件組成。聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)動時，由于有傾角的存在，圓柱滾子會在十字軸與軸承外圈之間往復(fù)擺動，在大量循環(huán)載荷作用下滾動體與滾動表面會產(chǎn)生疲勞失效，主要影響聯(lián)軸器的使用壽命。因此在聯(lián)軸器設(shè)計時必須對十字軸強(qiáng)度和關(guān)節(jié)軸承壽命進(jìn)行計算。

圖1 十字軸總成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of cross shaft assembly

2 計算方法

2.1 十字軸承載能力計算

聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)矩作用下，十字軸的受力如圖2所示，軸承力F使十字軸產(chǎn)生彎曲作用，在圓弧根部應(yīng)力值達(dá)到最大，其彎曲強(qiáng)度應(yīng)滿足

式中，F(xiàn)為十字軸軸頸的作用力，kN;d為十字軸軸頸，mm;di為十字軸油孔直徑，mm;s為作用力至危險截面處的距離，mm;R為作用力半徑，mm。

圖2 十字軸結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cross shaft

那么十字軸的承載能力為

2.2 軸承壽命計算

軸承的壽命計算公式為

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min;α為工作傾角，(°);Td為工作轉(zhuǎn)矩，kN·m;kt為原動機(jī)系數(shù);Cr為軸承額定負(fù)載參數(shù)，kN·m;C為軸承額定動載荷，C=fc(iLw)7/9z3/4dr29/27;fc為軸承承載能力綜合影響系數(shù);i為滾子列數(shù);Lw為滾子長度，mm;z為單列滾子個數(shù);dr為滾子直徑，mm。

3 計算與分析

3.1 現(xiàn)有系列計算結(jié)果分析

根據(jù)十字軸承載能力計算方法以及行業(yè)現(xiàn)有兩系列十字軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，十字軸材料采用20CrMnTi，σs=850 MPa，?。郐褾］= σs/3=283.3 MPa，得出了兩種系列十字軸的承載能力并將其與我國現(xiàn)行機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5513-2006相應(yīng)回轉(zhuǎn)直徑聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩Tn對比如圖3所示。

圖3 兩系列十字軸承載能力Fig.3 Strength of existing two series of cross shaft

從圖3可以看出，兩種系列十字軸的承載能力與常見標(biāo)準(zhǔn)給出的公稱轉(zhuǎn)矩相比，系列1的十字軸承載能力與常見標(biāo)準(zhǔn)的公稱轉(zhuǎn)矩相比都有較大的差距，系列2的十字軸承載能力部分規(guī)格可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的公稱轉(zhuǎn)矩，但仍有一部分規(guī)格的十字軸承載能力有較大差距。

在轉(zhuǎn)速n=100 r/min，傾角α=3°，工作轉(zhuǎn)矩Td=1/3Tn的工作條件下，取原動機(jī)系數(shù)kt=1、軸承承載能力綜合影響系數(shù)fc=90。計算出兩系列的軸承壽命如圖4所示。

從圖4可看出，隨回轉(zhuǎn)直徑由180 mm增加到550 mm，軸承壽命都由12 000 h以上減小到4 000 h多，都呈隨回轉(zhuǎn)直徑增大而軸承壽命減小的趨勢。但系列1由回轉(zhuǎn)直徑225 mm的16 000 h以上急劇減小到回轉(zhuǎn)直徑250的10 000 h以下，后面兩種回轉(zhuǎn)直徑的軸承壽命也呈現(xiàn)先增大而后減小的跳躍，波動較大，沒有明顯的規(guī)律。而系列2的軸承壽命隨回轉(zhuǎn)直徑減小的趨勢則比較平穩(wěn)。

圖4 兩系列軸承壽命Fig.4 Bearing life of existing two series of cross shaft

綜合圖3和圖4看，系列1的十字軸承載能力較低、軸承壽命較高，而系列2的十字軸承載能力較高、軸承壽命較低。十字軸承載能力與軸承壽命存在一定此消彼長的關(guān)系。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化系列優(yōu)化設(shè)計

以十字軸的承載能力與關(guān)節(jié)軸承的壽命為雙重設(shè)計目標(biāo)對行業(yè)現(xiàn)有兩系列進(jìn)行改進(jìn)，形成標(biāo)準(zhǔn)化系列的十字軸總成。十字軸的承載能力主要與十字軸軸頸d、作用力至危險截面處的距離s、及作用力半徑R等參數(shù)相關(guān)。關(guān)節(jié)軸承壽命主要與滾子直徑dr、滾子長度Lω、滾子列數(shù)i、滾子個數(shù)z等參數(shù)相關(guān)。參數(shù)之間存在約束為

通過優(yōu)化調(diào)整上述參數(shù)，并合理計算出滾子直徑、個數(shù)和間隙，得出新標(biāo)準(zhǔn)化系列的十字軸總成。新標(biāo)準(zhǔn)化系列的十字軸承載能力和軸承壽命如圖圖5、圖6所示。比行業(yè)現(xiàn)有兩系列的十字軸的承載能力有了明顯提高，基本達(dá)到或超過JB/T 5513-2006中規(guī)定的公稱轉(zhuǎn)矩。新標(biāo)準(zhǔn)化系列的軸承壽命基本介于系列1與系列2之間，但是隨回轉(zhuǎn)直徑不同，其壽命變化更加平穩(wěn)且有一定的梯度。

由于聯(lián)軸器在實際使用中，較小回轉(zhuǎn)直徑(180～350 mm)的一般使用轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較低，因而在設(shè)計時以軸承壽命為主，而較大回轉(zhuǎn)直徑(390～550 mm)的一般轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)矩較大，在設(shè)計時以十字軸的承載能力為主。本文在改進(jìn)設(shè)計時遵循了這一設(shè)計理念，并且通過設(shè)計計算也取得了比較理想的結(jié)果。

4 結(jié)語

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化系列承載能力Fig.5 Strength of standardized series

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化系列軸承壽命Fig.6 Bearing life of standardized series

通過分析現(xiàn)有兩系列十字軸總成的性能參數(shù)，改進(jìn)設(shè)計形成的標(biāo)準(zhǔn)化系列十字軸總成的承載能力和軸承壽命都有所提高和改善，達(dá)到比較先進(jìn)的水平。新標(biāo)準(zhǔn)化系列的十字軸總成從2013年2月份開始應(yīng)用于萬向軸中?，F(xiàn)已為山東鋼鐵、河北鋼鐵等十多個廠家生產(chǎn)了三十多根產(chǎn)品，并與原有結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品對比跟蹤使用。從對比使用情況來看，由于萬向軸的承載能力比原有結(jié)構(gòu)有所提高，萬向軸的實際使用壽命也有10%左右的增加。實際使用情況與理論分析基本一致。

［1］阮忠唐.聯(lián)軸器、離合器設(shè)計與選用指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］王文斌.機(jī)械設(shè)計手冊3卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］JB/T 5513-2006.SWC型整體叉頭十字軸式萬向聯(lián)軸器［S］.2006.

［4］文斌.聯(lián)軸器設(shè)計選用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］郭建瑞，張彪 .聯(lián)軸器系列設(shè)計方法探討［J］.機(jī)械設(shè)計，1995(07).

［6］賈敬平.重載十字軸式萬向聯(lián)軸器的運動仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2013.