矯直輥漸開線花鍵軸頭承載能力提升方案

趙崠

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

寬厚板矯直輥傳遞扭矩大，矯直速度高，通過(guò)萬(wàn)向接軸與輥?zhàn)虞S頭連接進(jìn)行傳動(dòng)。矯直輥軸頭主要有漸開線花鍵軸頭和雙鍵槽軸頭兩種形式，漸開線花鍵軸頭具有自動(dòng)定心、聯(lián)接精度高、拆裝便捷、互換性好、運(yùn)行平穩(wěn)可靠的優(yōu)點(diǎn)。由于外花鍵尺寸參數(shù)受軸頸尺寸的限制，其承載能力比雙鍵槽軸頭的承載能力低。在矯直過(guò)程中，花鍵受咬入沖擊和加速度造成瞬間扭矩過(guò)大，會(huì)發(fā)生斷齒現(xiàn)象，造成矯直輥因齒面修復(fù)困難而報(bào)廢。因此結(jié)合雙鍵槽軸頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)漸開線花鍵軸頭進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到提升漸開線花鍵軸頭的承載能力，延長(zhǎng)輥?zhàn)邮褂脡勖?，提高矯直能力。

1 同規(guī)格矯直輥兩種軸頭承載能力對(duì)比

以一臺(tái)4300 mm寬厚板矯直機(jī)為例，按同規(guī)格矯直輥的兩種軸頭形式分別進(jìn)行承載能力計(jì)算。矯直輥參數(shù)：

輥徑D：220 mm

軸頸d0：130 mm

材料：60CrMoV

許用剪應(yīng)力[τ]：180 MPa

屈服強(qiáng)度：≥750 MPa

抗拉強(qiáng)度：980～1050 MPa

1.1 漸開線花鍵軸頭承載能力

配有漸開線花鍵軸頭的矯直輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

軸頭漸開線花鍵規(guī)格為：EXT25Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995，軸伸l=180 mm，輸入扭矩T1=20 kN·m。由計(jì)算可知，此規(guī)格外花鍵軸頭滿足輸入扭矩20 kN·m承載能力要求[1]。

1.2 雙鍵槽軸頭承載能力

配有雙鍵槽軸頭的同規(guī)格矯直輥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

雙鍵槽軸頭直徑?130k6，輸入扭矩T2=30 kN·m，輸入扭矩較大，軸頭采用兩個(gè)相隔180°的普通A型平鍵連接，鍵寬b=32 mm、鍵高h(yuǎn)=18 mm、鍵長(zhǎng)L=180 mm，鍵槽公差選用P9緊密連接，為提高鍵的許用擠壓應(yīng)力，鍵的材質(zhì)采用42CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，達(dá)到許用擠壓應(yīng)力σpp≥270 MPa。

1.2.1 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸頭直徑

由于輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、作用在軸頭上載荷大小及位置已確定，可按彎扭合成法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并且計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

式中，d為軸頭直徑；M2為軸頭受萬(wàn)向接軸附加載荷的彎矩；ψ為校正系數(shù)，取ψ=0.3；σ-1P為材料在對(duì)稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，取σ-1P=90 MPa；D1為萬(wàn)向接軸外徑，D1=250 mm。

由于軸頭采用兩個(gè)相隔180°的平鍵，軸徑應(yīng)增大7%，軸頭直徑d=130 mm，滿足強(qiáng)度要求。

圖1 配有漸開線花鍵軸頭的矯直輥Figure 1 Straightening roll with involute spline shaft head

圖2 配有雙鍵槽軸頭的矯直輥Figure 2 Straightening roll with double key groove shaft head

1—具有雙鍵槽軸頭的矯直輥 2—花鍵軸套 3—A型平鍵 4—連接螺栓圖3 加裝大規(guī)格漸開線花鍵軸套的矯直輥Figure 3 Straightening roll mounted with large-sized involute spline shaft sleeve

1.2.2 軸頭扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算

軸頭扭轉(zhuǎn)應(yīng)力強(qiáng)度τ為：

式中，K為鍵槽應(yīng)力集中系數(shù)，取K=1.8。τ≤[τ]，軸頭扭轉(zhuǎn)應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件。

1.2.3 鍵的擠壓強(qiáng)度計(jì)算

鍵的擠壓強(qiáng)度σp為：

σp≤σpp，鍵的擠壓強(qiáng)度滿足要求。

通過(guò)以上計(jì)算，雙鍵槽軸頭滿足輸入扭矩30 kN·m承載能力要求。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，提高鍵的許用擠壓應(yīng)力后，同規(guī)格矯直輥的雙鍵槽軸頭承載能力比漸開線花鍵軸頭承載能力大1.5倍左右。由于漸開線花鍵軸頭的承載能力主要受齒根最大剪切應(yīng)力的限制，而扭轉(zhuǎn)與彎曲強(qiáng)度還有較大余度[1]，因此可結(jié)合兩種軸頭結(jié)構(gòu)，在雙鍵槽軸頭基礎(chǔ)上加裝大規(guī)格漸開線花鍵軸套，以降低齒根最大剪切應(yīng)力，提升承載能力。

2 漸開線花鍵軸頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)方案

加裝大規(guī)格漸開線花鍵軸套的矯直輥改進(jìn)方案，如圖3所示。

在具有雙鍵槽軸頭的矯直輥上，通過(guò)A型平鍵和連接螺栓，加裝大規(guī)格漸開線花鍵軸套。考慮軸頸d0=130 mm、萬(wàn)向接軸外徑D1=250 mm，對(duì)安裝空間的限制，可選加大的漸開線花鍵規(guī)格：

EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T3478.1—1995《圓柱直齒漸開線花鍵模數(shù) 基本齒廓 公差》，軸長(zhǎng)l=180 mm。此方案結(jié)合兩種軸頭形式的特點(diǎn)，既有漸開線花鍵軸頭自動(dòng)定心、聯(lián)接精度高、拆裝便捷、互換性好、運(yùn)行平穩(wěn)可靠的優(yōu)點(diǎn)，又有雙鍵槽軸頭較大的承載能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。

2.2 改進(jìn)后漸開線花鍵軸套承載能力

由以上計(jì)算得出雙鍵槽軸頭滿足輸入扭矩為T2=30 kN·m承載能力的要求，故以此扭矩對(duì)花鍵強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。由于在實(shí)際使用中失效形式多為花鍵斷齒，所以主要計(jì)算花鍵齒根剪切強(qiáng)度。

2.2.1 齒根剪切強(qiáng)度計(jì)算

(1)計(jì)算剪切應(yīng)力

式中，K為較多齒漸開線花鍵系數(shù)，取K=0.3；Dee為外花鍵大徑的基本尺寸，Dee=170 mm；Die為外花鍵小徑的基本尺寸，Die=157.5 mm；dh為作用直徑，經(jīng)計(jì)算，dh=160.9 mm。

(2)計(jì)算齒根最大剪切應(yīng)力

τFmax=τtn·αtn=111.2 MPa

式中，atn為應(yīng)力集中系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，atn=3.03；ρ為齒根圓角半徑，ρ=0.75 mm；h為全齒高，h=(Dee-Die)/2=6.25 mm。

(3)計(jì)算許用剪切應(yīng)力

τFp=σFp/2=351.4/2=175.7 MPa

齒根許用彎曲應(yīng)力σFp為：

σFp=σb/(SFK1K2K3K4)=351.4 MPa

式中，SF為安全系數(shù)1.1～1.5，取SF=1.2；K1為使用系數(shù)，取K1=1.25；K2為齒側(cè)間隙系數(shù)，取K2=1.1；K3為分配系數(shù)，公差等級(jí)低于5級(jí)時(shí)為1.3～1.6，取K3=1.3；K4軸向偏載系數(shù)，取K4=1.3。

τFmax≤τFp，齒根剪切強(qiáng)度安全。

2.2.2 花鍵軸頭扭轉(zhuǎn)與彎曲強(qiáng)度計(jì)算

(1)計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力

彎曲應(yīng)力σFn為：

(2)計(jì)算許用應(yīng)力

σvp=σs/(SFK1K2K3K4)=268.96 MPa

σv≤σvp，扭轉(zhuǎn)與彎曲強(qiáng)度安全。

通過(guò)以上計(jì)算，EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995外花鍵軸套滿足輸入扭矩30 kN·m承載能力要求。改進(jìn)后的矯直輥軸頭結(jié)構(gòu)，相比于原EXT25Z×5m×30P×6H/6f外花鍵軸頭的承載能力大幅提高。

3 結(jié)語(yǔ)

采用雙鍵槽軸頭加裝大規(guī)格漸開線花鍵軸套的矯直輥軸頭，結(jié)合了兩種軸頭形式的特點(diǎn)，矯直輥相比于原漸開線花鍵軸頭的承載能力提高了1.5倍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。矯直輥的傳動(dòng)是一個(gè)整體系統(tǒng)，提升軸頭的承載能力只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)矯直力矩的提升，還需全面提升整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的能力。