軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)的重載十字軸式萬向節(jié)關(guān)鍵技術(shù)

王光成

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司板帶廠，山東 萊蕪 271104）

萬向節(jié)又稱為聯(lián)軸器，在機(jī)械的傳動中應(yīng)用廣泛，主要是將兩軸連接在一起，并且在運(yùn)動的時(shí)候不能將其分離，只能等機(jī)器停止之后拆開進(jìn)行分析。萬向節(jié)分為剛性和撓性，剛性不允許兩軸之間移動，而撓性則允許兩軸之間移動。十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動的效率高，應(yīng)用最廣泛的就是撓性萬向節(jié)。主要應(yīng)用在大型的軋鋼機(jī)中，是軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)的重要部件，一般情況下會采用萬向節(jié)作為軋鋼機(jī)主傳統(tǒng)系統(tǒng)中的聯(lián)軸器，而且十字軸式萬向節(jié)具有傳動效率快、噪音小、穩(wěn)定等特點(diǎn)，逐漸將十字滑塊式萬向節(jié)所取代。

1 重載十字軸式萬向節(jié)技術(shù)差距和發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)差距

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國十字軸式萬向節(jié)的使用壽命已經(jīng)有了較大的提升，但是也存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）在正向設(shè)計(jì)方面的理論不夠完善，缺乏產(chǎn)品理論指導(dǎo)。（2）產(chǎn)品的使用壽命時(shí)間短。（3）產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)。（4）將很多的因素都?xì)w類在了安全系數(shù)中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)不合理或者強(qiáng)度不足等。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

重載十字軸式萬向節(jié)被廣泛應(yīng)用于大型的軋鋼機(jī)或者熱連軋粗軋機(jī)等重型機(jī)械的主傳動裝置中，在軋鋼機(jī)的主傳動系統(tǒng)中，重載十字軸式萬向節(jié)都發(fā)生過讓研究人員無法解釋的時(shí)效現(xiàn)象。因此提出，在軋機(jī)設(shè)計(jì)的初步階段就對整個(gè)主傳動系統(tǒng)進(jìn)行扭振計(jì)算，建立扭振模型以及一系列的理論和解析的方法，作為設(shè)計(jì)軋機(jī)扭振的基礎(chǔ)。重載十字軸式萬向節(jié)的組成如圖1所示，重載十字軸式萬向節(jié)與普通的萬向節(jié)不同，它需要通過扁頭和扁頭套與軋輥進(jìn)行連接，扁頭套雖然不是最薄弱的部分，但是極易發(fā)生斷裂。經(jīng)過相關(guān)的研究表明，扁頭套發(fā)生斷裂是因?yàn)橹圃斓馁|(zhì)量沒有達(dá)標(biāo)所致。

圖1 重載十字軸式萬向節(jié)示意圖

2 重載十字軸式萬向節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析

重載十字軸式萬向節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析主要是采用空間投影幾何法，對相位角以及軸間角進(jìn)行重點(diǎn)的分析，建立運(yùn)動公式，并根據(jù)公式得出轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速差。

2.1 勻速傳動理論

為了解決十字軸式萬向節(jié)傳動時(shí)的轉(zhuǎn)速問題，采取雙軸十字軸式萬向節(jié)，如圖2所示。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中，對十字軸式萬向節(jié)在制造以及安裝的過程中會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致軸承之間產(chǎn)生了夾角，從而使主傳動系統(tǒng)遭到了破壞，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速波動，引起了扭振。這種扭振會降低傳動的精確度，引起振動和噪音，同時(shí)還會產(chǎn)生一個(gè)徑向載荷，引起軸承的振動，嚴(yán)重時(shí)還會造成一定的磨損，產(chǎn)生壓痕、脫落等現(xiàn)象。

2.2 相位角和夾角對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響

當(dāng)相位角轉(zhuǎn)動一圈后，各個(gè)相位角所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角就會出現(xiàn)一定的差值，如表1所示，轉(zhuǎn)角差會隨著相位角的增加而變大。表2為輸入軸初始位置對轉(zhuǎn)角差的影響。

表1 相位角對轉(zhuǎn)角差值的影響

圖2 勻速傳動條件的雙聯(lián)十字軸式萬向節(jié)

表2 輸入軸初始位置對轉(zhuǎn)角差的影響

3 重載十字軸式萬向節(jié)的動力學(xué)分析

采用建模法對傳動系統(tǒng)建立動力學(xué)模型，并對扭轉(zhuǎn)振動以及耦合振動進(jìn)行分析，提出載荷系數(shù)k，對主傳動系統(tǒng)的過程進(jìn)行分析。

3.1 軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型

在進(jìn)行萬向節(jié)設(shè)計(jì)之前，需要對傳動系統(tǒng)的特性以及原動機(jī)進(jìn)行聯(lián)合分析，從而得出最佳的傳動系統(tǒng)，這也是未來十字軸式萬向節(jié)發(fā)展的主要方向。軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)是由很多慣性元件和彈性元件組成的系統(tǒng)，如圖3所示，在加載的過程中，主傳動系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，沒有振動，但是在咬鋼、振動的作用下，主傳動系統(tǒng)會發(fā)生扭振，引起扭振的主要原因就是過載。對于軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)需要采用動力學(xué)方法將主傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動部件換成相應(yīng)個(gè)數(shù)的集中轉(zhuǎn)動慣量，建立主傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖4所示。

3.2 二次分散在十字軸上的應(yīng)用

十字軸式萬向節(jié)中的叉頭功能強(qiáng)大，需要共用一個(gè)十字軸，通過十字軸的傳遞使扭矩達(dá)到一定的強(qiáng)度，如果十字軸遭到了破壞，會使萬向節(jié)失去功能，不能進(jìn)行正常的運(yùn)行，而十字軸是萬向節(jié)中最重要也是最小的一個(gè)部件，軸頸會因?yàn)檫^度的運(yùn)動造成斷裂。如圖5所示，如果將十字軸的軸根應(yīng)力集中與疲勞聯(lián)系在一起，在對軸頸增加強(qiáng)度時(shí)不能采取增加直徑的方式增加十字軸的堅(jiān)硬度，如果這樣做會因?yàn)槊娣e過大，應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生斷裂，而十字軸也會在極大的壓力之下不斷的擴(kuò)大，不管是局部應(yīng)力的問題還是其他的問題，都會遭受到損壞。所以需要采取二次分散法對十字軸的軸根進(jìn)行設(shè)計(jì)，緩解軸根的應(yīng)力集中點(diǎn)。

4 重載十字軸式萬向節(jié)的正向設(shè)計(jì)

對重載十字軸式萬向節(jié)進(jìn)行分析，觀察兩個(gè)叉頭之間的運(yùn)動關(guān)系，得出規(guī)律，并建立正向設(shè)計(jì)理論。

圖3 軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)示意圖

圖4 主傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型

4.1 十字軸式萬向節(jié)產(chǎn)生斷裂的原因

十字軸式萬向節(jié)主要的部件就是十字軸，但是萬向節(jié)的失效方式有很多種，比如十字軸斷裂、變形、壓痕或者脫落、磨損等，而十字軸是萬向節(jié)中最重要的部件，制造的費(fèi)用非常高，一旦破壞會導(dǎo)致萬向節(jié)徹底失效。十字軸的斷裂方式有過載折斷和疲勞折斷，在正常的工作下，軸根疲勞遭到破壞，產(chǎn)生裂紋，使得十字軸產(chǎn)生斷裂。當(dāng)軋鋼機(jī)的咬鋼發(fā)生扭振時(shí)，會影響十字軸的疲勞斷裂，對于可逆式軋機(jī)，需要先進(jìn)行循環(huán)處理，在不同的因素影響下，使十字軸承受不了而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。如圖5所示。

在十字軸式萬向節(jié)中，叉頭之間的扭矩需要通過十字軸進(jìn)行活動，一旦十字軸發(fā)生斷裂會造成萬向節(jié)停止工作，造成失效現(xiàn)象，而且這種失效是無法改進(jìn)的，十字軸發(fā)生斷裂后會使整個(gè)軋鋼機(jī)系統(tǒng)癱瘓，軋鋼生產(chǎn)線被迫停止。軋鋼機(jī)主傳動系統(tǒng)分為上軋輥和下軋輥，這兩條系統(tǒng)主要的功能就是對十字軸的扭矩進(jìn)行支撐，當(dāng)其中一條發(fā)生故障后由另一條進(jìn)行替補(bǔ)。

4.2 十字軸式萬向節(jié)運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)

在對十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意工作條件，并且具備一定的工作能力，保證在工作期間壽命能夠持續(xù)。重載十字軸式萬向節(jié)的軸承需要采用滾針軸承，計(jì)算方法為：，從公式中可以得出，k是萬向節(jié)的載荷系數(shù)，n是萬向節(jié)的轉(zhuǎn)速，β是萬向節(jié)的夾角，T是扭矩，R是距離，如圖6所示。

圖5 十字軸的疲勞斷裂

圖6 十字軸結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

重載十字軸式萬向節(jié)是軋鋼機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其運(yùn)行狀況直接影響了軋鋼生產(chǎn)線的安全，對重載十字軸式萬向節(jié)的運(yùn)動原理進(jìn)行了分析并進(jìn)行了仿真研究，得出十字軸式萬向節(jié)兩端的相位角影響著萬向節(jié)的運(yùn)動特性。對載荷系數(shù)的因素也進(jìn)行了具體的分析，當(dāng)軋鋼機(jī)的咬鋼和拋鋼發(fā)生運(yùn)動后，扭振是主要的影響因素。并根據(jù)十字軸式萬向節(jié)的傳動理論，對可能出現(xiàn)的位置進(jìn)行了分析，結(jié)合十字軸式萬向節(jié)的準(zhǔn)則，建立了重載十字軸式萬向節(jié)的正向設(shè)計(jì)理論。