冷連軋機(jī)主傳動(dòng)軸國(guó)產(chǎn)化探索實(shí)踐

潘勛平，張春青，吳 軍

(寶鋼新日鐵汽車(chē)板有限公司，上海 200941)

0 前言

寶鋼1800 mm冷軋酸洗-連軋生產(chǎn)線(xiàn)主要生產(chǎn)汽車(chē)板、家電板軋硬卷。連軋機(jī)是該機(jī)組關(guān)鍵的工藝設(shè)備之一，該設(shè)備及工藝技術(shù)從premetals引進(jìn)，軋機(jī)3#～5#機(jī)架為十字萬(wàn)向軸。十字萬(wàn)向軸原設(shè)計(jì)使用日本進(jìn)口N公司產(chǎn)品，由于軋機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，限于工作輥直徑，傳動(dòng)軸回轉(zhuǎn)直徑為400 mm，同時(shí)需要傳遞較大的扭矩，萬(wàn)向軸中十字軸組件在使用中為出現(xiàn)疲勞失效，十字軸組件在萬(wàn)向軸中是核心部件同時(shí)也是易耗件。3#～4#機(jī)架傳動(dòng)軸十字軸組件壽命約為12個(gè)月，進(jìn)口備件的價(jià)格及供貨周期不滿(mǎn)足低成本快節(jié)奏的生產(chǎn)需求。因此嘗試國(guó)產(chǎn)化傳動(dòng)軸作為補(bǔ)充及技術(shù)儲(chǔ)備。

1 十字萬(wàn)向軸的主要參數(shù)及失效情況

寶鋼1800 mm軋機(jī)是六輥軋機(jī)，主馬達(dá)通過(guò)齒型聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)2根輸出軸通過(guò)萬(wàn)向軸傳動(dòng)上下工作輥，傳動(dòng)如圖1所示，其中1#、2#機(jī)架為鼓形齒傳動(dòng)軸，3#～5#機(jī)架為萬(wàn)向軸傳動(dòng)，3#～5#馬達(dá)及十字萬(wàn)向軸參數(shù)如表1、表2所示。

圖1 軋機(jī)傳動(dòng)布置圖

表1 軋機(jī)的主要參數(shù)

表2 十字萬(wàn)向軸的主要參數(shù)

如圖2所示，寶鋼1800 mm軋機(jī)原設(shè)計(jì)使用進(jìn)口N公司SWP形式十字萬(wàn)向軸，圖3為國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸組裝圖，作為傳動(dòng)核心部件使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的失效，如叉頭或十字軸斷裂、half螺栓松動(dòng)斷裂、十字軸軸承燒損、十字軸磨損等。經(jīng)過(guò)多年對(duì)N公司的使用發(fā)現(xiàn)，其主要失效形式為十字軸表面疲勞導(dǎo)致的淺層剝落失效：十字軸和滾針接觸區(qū)剝落、磨損。從多次解體十字軸組件的外觀分析，十字軸典型的失效過(guò)程：滾針接觸部位壓印產(chǎn)生-滾針接觸部位表層產(chǎn)生剝落-軸承間隙增加、金屬碎屑導(dǎo)致磨損加快-運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度升高及振動(dòng)沖擊增加-軸承燒損及螺栓松動(dòng)至斷裂。從失效機(jī)理說(shuō)屬于典型的淺層剝落類(lèi)的接觸疲勞破壞。在滾針和十字軸間隙均勻的情況下，負(fù)載使近十字軸端面的滾針最先接觸，最大應(yīng)力在十字軸近斷面的次表層，周期性的接觸應(yīng)力作用下，超過(guò)材料許用接觸應(yīng)力，產(chǎn)生微觀塑性變形(色差壓印)，經(jīng)多次循環(huán)作用之后，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，次表層裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，所以裂紋開(kāi)始沿非金屬夾雜物平行于表面擴(kuò)展，而后在滾動(dòng)及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋，二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層金屬剝落。

圖2十字軸淺層剝落外觀發(fā)展過(guò)程

圖3 國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸組裝圖

2 十字萬(wàn)向軸國(guó)產(chǎn)化方案及組件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 十字萬(wàn)向軸國(guó)產(chǎn)化方案

對(duì)進(jìn)口傳動(dòng)軸進(jìn)行分析，確定國(guó)產(chǎn)化傳動(dòng)軸在考慮接口互換性的前提下，兩側(cè)十字軸組件采用非等回轉(zhuǎn)直徑設(shè)計(jì)，即輥側(cè)十字軸組件回轉(zhuǎn)直徑為400 mm，減速機(jī)側(cè)十字回轉(zhuǎn)直徑為430 mm，采用SWP結(jié)構(gòu)，如表3所示。

表3 十字萬(wàn)向軸主要部件材質(zhì)及主要加工要求

2.2 強(qiáng)度校核

2.2.1 彎曲強(qiáng)度

對(duì)傳動(dòng)軸總成通過(guò)建模，如圖4所示，簡(jiǎn)化哈弗蓋斷面齒及螺栓聯(lián)接約束，對(duì)蘭叉及十字軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，按額定扭矩的175%考慮過(guò)載扭矩，各主要部件最大等效應(yīng)力如表4所示。

十字軸材料為15CrNi4MoA，材料的力學(xué)性能為σb≥1200 MPa、σs≥900 MPa。材料的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限

σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1200+900)=591.3 MPa

表4 叉座和十字軸在額定扭矩和過(guò)載扭矩時(shí)最大等效應(yīng)力

材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限

σ0=1.33σ-1=1.33×591.3=786.43 MPa

取叉頭的尺寸系數(shù)ε=0.65，則脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限

(σ0)d=εσ0=0.65×786.43=511.18 MPa

額定扭矩十字軸等效應(yīng)力SWP400 396.45 <511.18 MPa，SWP430 325.08<511.18 MPa，175%過(guò)載扭矩十字軸等效應(yīng)力SWP400 524.4>511.18 MPa，SWP430 430<511.18 MPa，即十字軸最大等效應(yīng)力小于疲勞極限強(qiáng)度，滿(mǎn)足壽命要求。175%過(guò)載扭矩時(shí)SWP400十字軸稍有不足，設(shè)計(jì)通過(guò)剪切安全銷(xiāo)保護(hù)傳動(dòng)軸。

42CrMo材料熱處理后的常規(guī)力學(xué)性能為σb≥1000 MPa、σs≥800 MPa。材料的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1000+800)=486 MPa 。

圖4 叉座和十字軸有限元分析

材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限

σ0=1.33σ-1=1.33×486=646.38 MPa

取叉頭的尺寸系數(shù)ε=0.65，則脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限

(σ0)d=εσ0=0.65×646.38=420.15 MPa

額定扭矩叉座等效應(yīng)力SWP400 255.73<420.15 MPa，SWP430 222.26<420.15 MPa。175%過(guò)載扭矩叉座等效應(yīng)力SWP400 338.3<420.15 MPa，SWP 430 294<420.15 MPa。叉座在額定扭矩及175%過(guò)載扭矩下均可以滿(mǎn)足使用要求。

2.2.1 接觸強(qiáng)度

十字軸組件是萬(wàn)向軸傳動(dòng)的關(guān)鍵部件，歷次失效均發(fā)生十字軸表面淺層剝落，因此十字軸組件的制造是國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)及關(guān)鍵部件。十字組件由十字軸、滾針、外圈、密封、墊片等組成，如圖5所示。進(jìn)一步對(duì)十字軸組件進(jìn)行接觸疲勞分析。通過(guò)對(duì)十字軸組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)施加額度扭矩及最大過(guò)載扭矩，有限元仿真如圖6所示，十字軸和滾針的接觸應(yīng)力如表5所示。

圖5 十字軸組件結(jié)構(gòu)圖

圖6 十字軸有限元分析模型

表5 十字軸和滾珠的最大接觸應(yīng)力對(duì)比MPa

最大接觸應(yīng)力在表面以下0.2～0.3 mm處，軸承的許用接觸應(yīng)力為σH=2000～2240 MPa，在超過(guò)額定負(fù)載十字軸接觸區(qū)表面以下會(huì)產(chǎn)生塑性變形，循環(huán)交變應(yīng)力作用使零件會(huì)產(chǎn)生疲勞，裂紋在次表層萌發(fā)并擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致淺層剝落。

3 進(jìn)口十字軸組件和國(guó)產(chǎn)十字軸組件對(duì)比分析

原進(jìn)口N公司十字萬(wàn)向軸兩側(cè)十字組件回轉(zhuǎn)直徑均為400 mm，主要組件材料十字軸選用JIS標(biāo)準(zhǔn)SNCM815(GB 15CrNi4MoA)。在十字軸組件國(guó)產(chǎn)化探索實(shí)踐中，對(duì)材料選擇進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如表6所示。

對(duì)多次試驗(yàn)可以看出使用15CrNi4MoA作為十字軸材料和進(jìn)口材料成分相當(dāng)，壽命也達(dá)到了8個(gè)月，如表7所示。該試驗(yàn)是國(guó)產(chǎn)化探索實(shí)踐中有參考價(jià)值的一次試驗(yàn)。下機(jī)解體十字軸劣化如圖7所示。

圖7 國(guó)產(chǎn)十字軸失效外觀

表6 國(guó)產(chǎn)十字軸不同材料拉伸沖擊試驗(yàn)

表7 十字軸組件材料對(duì)壽命影響對(duì)比

其劣化以滾針接觸區(qū)輕微壓印為主，因加工及組裝不對(duì)稱(chēng)，受力較大的軸滾針區(qū)接觸局部嚴(yán)重淺層剝落。同時(shí)在非高接觸應(yīng)力出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象說(shuō)明材料可能存在夾雜。

對(duì)比進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)十字軸金相組織進(jìn)行對(duì)比分析如圖8所示。

圖8 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)十字軸金相組織進(jìn)行對(duì)比分析

在和進(jìn)口十字軸使用材料成分相當(dāng)?shù)那闆r下，國(guó)產(chǎn)十字軸在熱處理上和國(guó)外廠(chǎng)家存在差距：國(guó)產(chǎn)十字軸表面硬度HRC57～58和進(jìn)口十字軸表面硬度HRC60～61，洛氏硬度HRC相對(duì)低3度；有效硬化深度國(guó)產(chǎn)十字軸做到2.9 mm深，而進(jìn)口十字軸做到3.5 mm深；外部取樣力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)：國(guó)產(chǎn)十字軸RP0.2950 MPa、Rm1250 MPa，進(jìn)口十字軸RP0.21020 MPa、Rm1300 MPa；金相組織：國(guó)產(chǎn)十字軸表面金相組織為粗大的回火馬氏體及部分針狀貝氏體，晶內(nèi)有大量細(xì)小碳化物，晶界有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，心部為回火板條馬氏體及貝氏體，進(jìn)口十字軸表面金相組織為回火板條馬氏體、部分針狀馬氏體及少量殘余奧氏體，心部為回火低碳板條馬氏體，低碳板條馬氏體使十字軸本體在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還兼有良好的塑性及韌性。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)軋機(jī)主傳動(dòng)軸備件以進(jìn)口為主，在國(guó)產(chǎn)化道路上任重道遠(yuǎn)，在制造上需要更多工匠精神。通過(guò)分析可以得出結(jié)論：這種傳動(dòng)軸失效形式為疲勞導(dǎo)致的淺層剝落失效，15CrNi4MoA是作為十字萬(wàn)向軸合適的材料，國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)軸整體強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。但若想進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)軋機(jī)主傳動(dòng)軸使用壽命，可通過(guò)提高有效硬化，機(jī)械加工中增加表面拋光提高表面光潔度、改善組裝條件，保證對(duì)稱(chēng)受力等方面實(shí)現(xiàn)。