矯直機(jī)萬向軸強(qiáng)度分析

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)，針對該問題，本文對矯直機(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、平行或交錯的兩軸，以傳遞運(yùn)動和動力。這種聯(lián)軸器能夠在兩軸軸線夾角發(fā)生變化時，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、鏈傳動等傳動機(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。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)需要的傳動系統(tǒng)。主傳動系統(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、矯直輥的傳動方式。矯直機(jī)矯直鋼板時，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11個工作輥，萬向接軸采用十字軸接軸，其上裝有安全打滑聯(lián)軸器，用于在瞬時扭矩過大時產(chǎn)生滑動從而保護(hù)減速箱。

在該傳動系統(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)度校驗常用的方法有理論分析法、光彈實(shí)驗?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)時出現(xiàn)最大扭矩TX60=12.91KN·m。

2 ?中間接軸強(qiáng)度計算

在該矯直機(jī)傳動系統(tǒng)中，萬向軸主要用于傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動至矯直輥，因此符合傳動軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算條件，本文根據(jù)萬向軸所受的扭矩來計算其的強(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計算兩部分接軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，如下：

根據(jù)現(xiàn)場已知條件，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傾角相對較小，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，按上文計算為12.91KN·m;

式中 TC——聯(lián)軸器的計算轉(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)計缺陷，應(yīng)該對已斷裂的萬向軸進(jìn)行成分檢測，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)場觀察，在萬向軸出現(xiàn)斷裂時，該安全打滑離合器并未產(chǎn)生滑動，據(jù)此推測是否該離合器設(shè)定數(shù)值不合理，因此，接下來需要對安全打滑離合器進(jìn)行測試，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，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，1995，12（3）：284-289.