某寬厚板粗軋機萬向接軸強度分析及疲勞壽命研究

樊曉剛

（二重（德陽）重型裝備有限公司，四川 德陽 618000）

萬向接軸是軋機主傳動系統(tǒng)最關鍵的部件，同時也是傳動系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)所發(fā)事故主要集中于此。尤其在咬鋼、拋鋼、換向等情況下，主傳動系統(tǒng)各彈性元件會出現(xiàn)不穩(wěn)定振動現(xiàn)象（簡稱扭振），此時接軸承載的扭矩會隨扭轉(zhuǎn)角的循環(huán)周期變化而發(fā)生變化，系統(tǒng)的扭振會造成接軸承受的峰值扭矩突然增大，嚴重時還會大于接軸材料的屈服極限，進而對傳動設備產(chǎn)生突然破壞。

1 軋機主傳動系統(tǒng)扭振響應分析

根據(jù)美國John Wright提出的軋機主傳動系統(tǒng)固有頻率判斷準則，軋機主傳動系統(tǒng)第1階固有頻率一般為10～20 Hz，第2階固有頻率應是第1階固有頻率的2倍以上，更高階固有頻率則應以30%以上的速度遞增。其數(shù)學表達式為：

根據(jù)已建立的主傳動系統(tǒng)三維模型，采用有限元法求解系統(tǒng)固有頻率及扭矩放大系數(shù)，各傳動單元的固有頻率計算結(jié)果如表1所示，傳動系統(tǒng)相鄰階扭振固有頻率的比值如表2所示。

表1 傳動系統(tǒng)各階固有頻率 Hz

表2 主傳動系統(tǒng)的固有頻率比

由計算結(jié)果表明，軋機主傳動系統(tǒng)固有頻率分布合理。

軋機在板坯生產(chǎn)過程中，扭矩放大系數(shù)直接影響主傳動系統(tǒng)的峰值扭矩的大小，進而影響萬向接軸零件的強度及壽命。計算所得的各傳動單元的扭矩放大系數(shù)如表3所示。經(jīng)對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合比對發(fā)現(xiàn)，計算數(shù)據(jù)基本符合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表3 不同編號軸段的扭矩放大系數(shù)計算結(jié)果

2 萬向節(jié)強度分析

在實際使用過程中，十字萬向節(jié)的破壞主要發(fā)生在十字軸和叉頭上，依據(jù)確定的設計參數(shù)建立三維模型，按電機最大過載扭矩對萬向節(jié)施加載荷，對萬向節(jié)關鍵零部件進行有限元分析及強度校核。

十字軸應力分布有較好對稱性，最大主應力及等效應力分別為566.2 MPa、522 MPa。法蘭叉頭的最大主應力和等效應力最大值位置均在螺紋聯(lián)接區(qū)，最大值分別為406.8 MPa、651.2 MPa。由前文計算的扭矩放大系數(shù)為1.49，可求出萬向節(jié)各零件在動載作用下的最大主應力：十字軸的最大主應力為1.49×566.2 MPa=843.6 MPa；法蘭叉頭最大主應力為1.49×406.8 MPa=606.1 MPa。以上最大應力值均小于材料的屈服極限，由此可見在靜載或動載作用下，十字軸和法蘭叉頭理論上不會出現(xiàn)瞬間破壞。

3 萬向節(jié)疲勞壽命預測

根據(jù)有限元模型的應力/應變結(jié)果和循環(huán)材料屬性，進行疲勞壽命預測。輸入材料應力-應變（σ-ε）、應變-壽命（ε-N）特性曲線及300 s監(jiān)測載荷譜，導入有限元計算的應力/應變結(jié)果，進行疲勞壽命分析。十字軸與法蘭叉頭的疲勞壽命圖如圖3、圖4所示。

圖3 十字軸疲勞壽命圖

圖4 法蘭叉頭疲勞壽命圖

從圖3可以看到，十字軸破壞最嚴重部位的疲勞壽命為6.878×104次循環(huán)；從圖4可以看到，法蘭叉頭破壞最嚴重部位的疲勞壽命為8.21×104次循環(huán)，計算得到十字軸的疲勞壽命約為5 733.3 h，即238.9 d，叉頭壓蓋的疲勞壽命為6 841.7 h，即285.1 d。原應用于該軋機的進口十字萬向接軸在上機使用10個月左右時，法蘭叉頭易發(fā)生斷裂，表明疲勞壽命預測結(jié)果基本符合現(xiàn)場實際。

4 結(jié)論

1）軋機主傳動系統(tǒng)固有頻率分布合理，各傳動單元的扭矩放大系數(shù)基本符合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2）十字萬向節(jié)最大應力值均小于材料的屈服極限，分析得出在靜載或動載作用下，十字軸和法蘭叉頭理論上不會出現(xiàn)瞬間破壞。

3）經(jīng)過對十字軸和法蘭叉頭破壞最嚴重部位的疲勞壽命進行計算，后經(jīng)實踐表明，疲勞壽命預測結(jié)果基本符合現(xiàn)場實際。

4）由此研制的萬向接軸上機運行平穩(wěn)，使用效果良好，能滿足寬厚板軋機主傳動使用要求。