半叉式萬向節(jié)剖分叉頭聯(lián)結(jié)方式研究

蔣陽春 周曉峰 張成龍 胡孟君 樊曉剛

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000；2.華菱湘潭鋼鐵有限公司設(shè)備部，湖南411101)

近年來，隨著冶金行業(yè)的迅猛發(fā)展，軋鋼設(shè)備大型、重載、高效技術(shù)不斷進(jìn)步和對環(huán)保要求不斷提高[1]，尤其是重載、頻繁大沖擊等惡劣工況的大型熱連軋、中寬厚板軋機(jī)廣泛應(yīng)用，對主傳動(dòng)萬向節(jié)的承載能力、使用壽命、節(jié)能環(huán)保等方面提出了更高要求。目前國內(nèi)該類軋機(jī)主傳動(dòng)一般采用傳統(tǒng)十字軸式或滑塊式萬向節(jié)。在惡劣工況下，傳統(tǒng)十字軸式萬向節(jié)軸承使用壽命短，叉頭、螺栓、軸向定位擋圈等關(guān)鍵件斷裂事故頻發(fā)，滑塊式萬向節(jié)污染嚴(yán)重等問題凸顯[2]，嚴(yán)重影響軋制效率，制約軋機(jī)能力發(fā)揮。

半叉式萬向節(jié)與傳統(tǒng)十字軸式萬向節(jié)相比，其結(jié)構(gòu)主要優(yōu)勢有：叉頭將組合軸承完整包裹，組合軸承軸向定位安全可靠，叉頭強(qiáng)度高等。具有承載能力大、使用壽命長、運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)，能較好適應(yīng)重載、頻繁大沖擊等惡劣工況，目前該類萬向節(jié)正逐步取代傳統(tǒng)十字軸式或滑塊式萬向節(jié)。

由于早期半叉式萬向節(jié)剖分叉頭剖切面定位精度較差、加工裝配難度大、鍵和鍵槽易磨損等原因，在較長時(shí)間內(nèi)制約了該類產(chǎn)品的市場應(yīng)用推廣。本項(xiàng)目對半叉式萬向節(jié)剖分叉頭聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行研究，解決叉頭剖切面加工裝配等問題，確保在重載、頻繁大沖擊等惡劣工況下半叉聯(lián)結(jié)可靠性，延長其使用壽命。

1 半叉式萬向節(jié)組成

半叉式萬向節(jié)是一種將叉頭從中心平面剖切成兩個(gè)剖分半叉，采用螺栓將兩個(gè)剖分叉頭把合的剖分叉頭型十字軸式萬向聯(lián)軸節(jié)，主要由剖分叉頭、十字軸、組合軸承、把合螺栓等零部件組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 半叉式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Configuration of half fork universal joint

2 結(jié)構(gòu)確定

2.1 結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，早期半叉式萬向節(jié)叉頭剖切面設(shè)置有3個(gè)平行鍵，剖分叉頭的徑向定位通過鍵和鍵槽的配合實(shí)現(xiàn)，軸向定位通過剖分叉頭端面楔形鍵與相關(guān)配合法蘭鍵槽配合實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)存在以下不足：

圖2 早期半叉式萬向節(jié)剖分叉頭結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Split fork head of former half fork universal joint

兩件剖分叉頭的軸承孔、剖切面鍵槽均單獨(dú)加工，裝配時(shí)須多次裝配找正，配作鍵槽和鍵，裝配工藝復(fù)雜，裝配后須同時(shí)保證把合后軸承孔的同軸度、鍵和鍵槽以及剖分叉頭法蘭端面楔形鍵與相關(guān)配合法蘭鍵槽的有效接觸率。該結(jié)構(gòu)裝配工藝性較差，在配作時(shí)難以保證配合面的裝配精度，導(dǎo)致叉頭剖切面鍵和鍵槽在使用過程中易磨損，萬向節(jié)定位精度降低，影響其使用壽命。

2.2 方案對比

法蘭聯(lián)結(jié)功能是將連接件軸向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，常用的法蘭聯(lián)結(jié)方式有端面鍵和端面齒。針對早期半叉式萬向節(jié)剖分叉頭聯(lián)結(jié)方式存在的問題，本項(xiàng)目將剖分叉頭聯(lián)結(jié)方式設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)緊湊、定心精度高、拆裝方便的端面齒相互嚙合，并采用多顆螺釘或螺柱把合預(yù)緊的聯(lián)結(jié)方式。為實(shí)現(xiàn)剖分叉頭X、Y、Z三個(gè)方向定位，可采用垂直端面齒和半圓盤形端面齒兩種結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 端面齒結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Configuration of end face teeth

從圖3(a)可以看出，剖分叉頭剖切面采用相互垂直的端面齒，中間部分端面齒沿Y方向布置，兩側(cè)端面齒沿X方向布置。裝配后兩個(gè)剖分叉頭的齒與齒槽配合分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向定位。從圖3(b)可以看出，剖分叉頭剖切面采用半圓盤端面齒，采用優(yōu)化的齒形幾何參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊定心，高耐磨損性能，齒廓具有較高的承載能力，楔形設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)極佳的重復(fù)定位精度。

2.3 參數(shù)確定

2.3.1 工況參數(shù)

某寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)接軸萬向節(jié)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 萬向節(jié)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of universal joint

2.3.2 相互垂直端面齒

相互垂直端面齒齒形采用直線齒面，幾何參數(shù)參考GB/T 1356—2001《通用機(jī)械和重型機(jī)械用圓柱齒輪—標(biāo)準(zhǔn)基本齒條齒廓》，其幾何尺寸參數(shù)見圖4。

圖4 相互垂直端面齒幾何尺寸參數(shù)Figure 4 Geometric dimension parameters of vertical end face teeth

2.3.3 半圓盤端面齒

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3- 4]，半圓盤端面齒幾何尺寸參數(shù)見圖5。

圖5 半圓盤端面齒幾何尺寸參數(shù)Figure 5 Geometric dimension parameters of semi-disc end face teeth

2.4 有限元分析

萬向節(jié)在傳遞扭矩5250 kN·m，軸線傾角5°工況下進(jìn)行有限元分析[5]，對比分析相互垂直端面齒和半圓盤端面齒時(shí)端面齒的應(yīng)力狀況，仿真計(jì)算模型見圖6。

圖6 萬向節(jié)有限元計(jì)算模型簡圖Figure 6 Finite element calculation model of universal joint

相互垂直端面齒在承受工況載荷時(shí)，端面齒應(yīng)力分布明顯不均，兩側(cè)邊部的端面齒局部擠壓嚴(yán)重，應(yīng)力值明顯較高，應(yīng)力分布見圖7。

(a)中部端面齒

半圓盤端面齒在工況載荷時(shí)，各部分齒受力均勻且應(yīng)力值較低，應(yīng)力分布見圖8。

圖8 半圓盤形端面齒在空載和負(fù)載時(shí)應(yīng)力分布Figure 8 No-load stress distribution and load stress distribution of semi-disc type end face teeth

兩種端面齒在工況載荷下齒部應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 兩種端面齒工況載荷下齒部應(yīng)力值Table 2 Tooth stress of two kinds of end face teeth under working load

從圖7、圖8和表2可以看出，半圓盤形端面齒在工況載荷工況下，齒部應(yīng)力值低于相互垂直端面齒，各部分齒接觸良好，應(yīng)力分布均勻。

2.5 對比分析結(jié)果

通過有限元強(qiáng)度分析對比，半圓盤形端面齒應(yīng)力分布更均勻、承載能力更強(qiáng)，因此本項(xiàng)目半叉式萬向節(jié)剖分叉頭采用半圓盤形端面齒聯(lián)結(jié)方式。

3 制造與試驗(yàn)

3.1 加工裝配

半圓盤端面齒采用數(shù)控鏜床成型刀具加工[6]，該工藝加工精度高，兩個(gè)剖分叉頭裝配后齒面涂紅丹檢查，端面齒接觸率達(dá)到90%以上。將兩個(gè)剖分叉頭多次拆裝，并采用相同預(yù)緊力矩預(yù)緊把合，測量軸承孔的同軸度和對稱度，誤差不超過0.03 mm。檢測結(jié)果：剖切面多次拆裝重復(fù)定位精度高。

3.2 負(fù)載試驗(yàn)

將半叉式萬向節(jié)安裝在軋機(jī)主傳動(dòng)接軸軋輥端，進(jìn)行工況負(fù)載試驗(yàn)。經(jīng)過一個(gè)周期負(fù)載測試后，萬向節(jié)正常下機(jī)檢測剖切面端面齒聯(lián)結(jié)情況，檢測結(jié)果：

(1)萬向節(jié)拆解前目測，剖分叉頭剖切面面漆完好、端面齒未發(fā)生變形、壓饋等損壞現(xiàn)象，負(fù)載試驗(yàn)期間齒面未發(fā)生過分離。

(2)剖分叉頭剖切面螺柱螺母未發(fā)生松動(dòng)，端面齒結(jié)合緊密，齒側(cè)0.02 mm塞尺不入。

(3)萬向節(jié)拆解后，端面齒齒面光滑，無磨損痕跡，實(shí)測尺寸符圖。

通過對萬向節(jié)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)檢測，剖分叉頭半圓盤端面齒聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)在重載、大沖擊的工況扭矩下安全可靠。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目研究出半叉式萬向節(jié)剖分叉頭的一種新型聯(lián)結(jié)方式，解決了早期剖分叉頭剖切面加工裝配難度大、定位精度差、剖切面鍵和鍵槽易磨損等問題，通過負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證了該聯(lián)結(jié)方式齒面接觸良好，叉頭重復(fù)定位精度高，在重載、大沖擊工況下聯(lián)結(jié)安全可靠。該項(xiàng)目成果有助于推動(dòng)該類萬向節(jié)廣泛應(yīng)用于大型熱連軋、中寬厚板軋機(jī)等惡劣工況的軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)。