萬(wàn)向接軸常規(guī)設(shè)計(jì)中的易損點(diǎn)及優(yōu)化舉措研究

金 洋，朱澤華

（馬鋼股份公司長(zhǎng)材事業(yè)部 安徽馬鞍山 243000）

1 概述

萬(wàn)向接軸通過(guò)利用兩軸線夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)兩軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的銜接，并且穩(wěn)定、可靠的進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)工況的傳遞對(duì)接。 萬(wàn)向接軸之所以能夠在各類工業(yè)機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于其能夠有效應(yīng)對(duì)“兩軸設(shè)備不在同一軸線”的情況。 萬(wàn)向接軸相較于其他鏈接部件而言，其優(yōu)點(diǎn)在于具備強(qiáng)大的角向補(bǔ)償能力，且部件自身具有緊密、緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得其同時(shí)含有極高的傳動(dòng)效率水平。

近年來(lái)，根據(jù)萬(wàn)向節(jié)軸兩軸線夾角情況、使用環(huán)境、面向?qū)ο蟮瓤陀^因素的不同，萬(wàn)向接軸在深入推廣過(guò)程中產(chǎn)出了各類不同的結(jié)構(gòu)模式。 如主流的十字軸式、三叉桿式、滑塊式、球籠式等等，同時(shí)其結(jié)合具體的工藝需求，還出現(xiàn)了特殊的球銷式、球鉸式、鉸桿式等。 其中最為常見(jiàn)的是十字軸式和伸縮式。

2 萬(wàn)向接軸的常見(jiàn)損傷情況

2.1 萬(wàn)向接軸扭曲形變

目前，萬(wàn)向接軸扭曲形變情況在實(shí)際使用過(guò)程中常見(jiàn)并且多發(fā)。 而導(dǎo)致其彎曲形變的主要原因有兩類：一是常規(guī)的電動(dòng)機(jī)軸與滾動(dòng)軸承損壞導(dǎo)致；二是各電動(dòng)機(jī)軸出現(xiàn)彎折形變，使得各軸軸線的水平對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)變動(dòng)，導(dǎo)致兩條軸線之間原本的平面、豎直關(guān)系被改變。 以十字萬(wàn)向接軸為例，當(dāng)其處于這種情況時(shí)，其與鏈接設(shè)備軸承的間距空隙會(huì)進(jìn)一步加大，導(dǎo)致設(shè)備搖晃或振動(dòng)，并會(huì)在傳動(dòng)軸工作過(guò)程中出現(xiàn)摩擦、碰撞情況，最終在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中就會(huì)使得十字萬(wàn)向接軸過(guò)度磨損，出現(xiàn)扭曲形變。

圖1 SWC（DH）型伸縮式萬(wàn)向接軸

圖2 小型十字萬(wàn)向接軸

根據(jù)十字萬(wàn)向接軸的使用標(biāo)準(zhǔn)和近年來(lái)大量的實(shí)踐案例來(lái)看，其磨損情況應(yīng)當(dāng)控制在0.02－0.13mm內(nèi)。 若產(chǎn)品設(shè)別具備高精度工況需求，則需要將其磨損度控制在0.01 mm 左右。 如果十字萬(wàn)向接軸磨損水平＞0.13 mm，則極易導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸振動(dòng)和摩擦發(fā)響。

另外在具體的應(yīng)用過(guò)程中，極有可能出現(xiàn)因機(jī)械設(shè)備安裝水平度低，從而導(dǎo)致扭矩傳送水平狀態(tài)缺失的情況；或因長(zhǎng)時(shí)間的單向固定扭矩傳送，從而導(dǎo)致萬(wàn)向接軸受力方位長(zhǎng)期固定，出現(xiàn)了十字萬(wàn)向接軸部件單側(cè)損壞的情況。

2.2 萬(wàn)向接軸支撐螺絲松動(dòng)

萬(wàn)向接軸的螺絲松動(dòng)問(wèn)題與其平衡狀態(tài)缺失有關(guān)，也與機(jī)械設(shè)備安裝水平度、固定強(qiáng)度等外部因素有關(guān)。 如果萬(wàn)向接軸的不平衡量超過(guò)了限定額度，則其在運(yùn)轉(zhuǎn)中極易出現(xiàn)抖動(dòng)情況。 最終在長(zhǎng)期的抖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，其支撐螺絲和鉤釘螺絲就會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。

另一方面，萬(wàn)向接軸出現(xiàn)螺絲松動(dòng)的問(wèn)題，還與其連接件是否符合配對(duì)需求條件有直接關(guān)系。如凸緣上的止口直徑不符合要求、凸緣螺栓孔的內(nèi)徑過(guò)大、使用了不合格的螺栓、軸管彎曲變形有凹陷、兩端的萬(wàn)向節(jié)十字軸中心線不在同一平面上導(dǎo)致不能勻速地旋轉(zhuǎn)等等。 如果使用了上述不符合規(guī)格要求的相關(guān)配件，則會(huì)導(dǎo)致萬(wàn)向接軸與鏈接部件軸承的空隙變大。 此時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，螺栓受剪切力在孔中產(chǎn)生擺動(dòng)和跳動(dòng)，最終導(dǎo)致螺絲松動(dòng)。

2.3 萬(wàn)向接軸自身裂紋、斷裂

萬(wàn)向接軸出現(xiàn)裂紋、斷裂情況，常見(jiàn)于復(fù)雜工況或高強(qiáng)度工作環(huán)境之中。 主要原因則是由于萬(wàn)向接軸應(yīng)力環(huán)境改變，從而使得萬(wàn)向接軸所承載沖擊力度超出部件自身應(yīng)對(duì)水平，最終導(dǎo)致萬(wàn)向接軸材料損傷出現(xiàn)裂紋、斷裂情況。 以型鋼生產(chǎn)線軋機(jī)萬(wàn)向接軸斷裂情況為例。 型鋼生產(chǎn)線軋機(jī)萬(wàn)向接軸輥端在應(yīng)用過(guò)程中如果出現(xiàn)了不規(guī)范操作或者連續(xù)疲勞操作，則會(huì)導(dǎo)致萬(wàn)向接軸輥端交變應(yīng)力的改變，對(duì)萬(wàn)向接軸帶來(lái)強(qiáng)大的沖擊，最終導(dǎo)致萬(wàn)向接軸裂紋甚至斷裂情況的出現(xiàn)。

同時(shí)在進(jìn)行型鋼鋼材軋制過(guò)程中，在萬(wàn)向接軸的輥端處，其扁頭一側(cè)的虎口位置，一旦在軋制的過(guò)程中出現(xiàn)了較大的交變應(yīng)力， 就會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋。 在生產(chǎn)過(guò)程中，該裂紋會(huì)在受到嚴(yán)重的瞬時(shí)沖擊時(shí)擴(kuò)展延伸最終發(fā)生斷裂，進(jìn)而嚴(yán)重影響了型鋼軋機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 SWC－BH 型萬(wàn)向接軸裂紋圖片

2.4 萬(wàn)向接軸平衡荷載水平改變

萬(wàn)向接軸平衡荷載水平改變問(wèn)題，一般常見(jiàn)于工作環(huán)境復(fù)雜、工作時(shí)間久的生產(chǎn)工藝之中。 這一問(wèn)題的出現(xiàn)與前文所提及的形變、裂紋、螺絲松動(dòng)等情況都有著相互關(guān)系。 以主流的十字萬(wàn)向接軸為例，由于十字萬(wàn)向接軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中并沒(méi)有規(guī)劃軸向竄動(dòng)和彎曲工藝，而是出于理想工況考慮認(rèn)為十字萬(wàn)向接軸的兩軸是處于“軸線完全同軸”的狀態(tài)的，因此極易出現(xiàn)平衡荷載水平變動(dòng)的問(wèn)題。

十字萬(wàn)向接軸的安裝都是在系統(tǒng)冷卻狀態(tài)下完成的。 而當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)且已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了一段時(shí)間后，十字萬(wàn)向接軸及相應(yīng)輔助部件都會(huì)出現(xiàn)升溫?zé)崤蛎浨闆r。 因此從嚴(yán)格意義來(lái)看，只有準(zhǔn)確研判了系統(tǒng)的熱膨脹量后才能夠進(jìn)行十字萬(wàn)向接軸的找正對(duì)中，但是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境當(dāng)中，由于管理制度和操作流程的不規(guī)范，很多十字萬(wàn)向接軸都未能嚴(yán)格考慮和關(guān)注到設(shè)備熱膨脹量問(wèn)題的。 在熱膨脹量影響之下，十字萬(wàn)向接軸的預(yù)定工況環(huán)境會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)，而此時(shí)萬(wàn)向接軸的扭矩傳遞狀態(tài)和渠道主要有三種：螺栓傳遞、結(jié)合面摩擦力傳遞或者兩種傳遞方式同時(shí)開展。 其中十字萬(wàn)向接軸就是采用了“兩種皆有”的扭矩傳遞方式。 預(yù)定情況下十字萬(wàn)向接軸每個(gè)螺栓的扭矩傳遞量應(yīng)當(dāng)是均勻的、固定的，但是由于熱膨脹量的干擾而使得各螺栓扭矩大小水平出現(xiàn)變動(dòng)，從而產(chǎn)生新的附加不平衡質(zhì)量，導(dǎo)致十字萬(wàn)向接軸的軸線對(duì)中情況和平衡荷載水平被打破，直接干擾到鏈接設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，最終給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。

3 針對(duì)性的優(yōu)化舉措

3.1 嚴(yán)格落實(shí)萬(wàn)向接軸選用和安裝程序

萬(wàn)向接軸的選用和安裝過(guò)程，直接決定了萬(wàn)向接軸是否能夠適配機(jī)械設(shè)備需求，是否能夠滿足預(yù)定的工況環(huán)境。 因此要想盡可能規(guī)避萬(wàn)向接軸在使用過(guò)程中出現(xiàn)的各類損傷情況，首先就需要做好萬(wàn)向接軸的選用和安裝工作。 具體的操作要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1.1 傳動(dòng)裝置與傳動(dòng)比

原動(dòng)機(jī)與萬(wàn)向接軸之間是否搭載相關(guān)的傳動(dòng)裝置，如果搭載傳動(dòng)裝置，則需設(shè)定具體的傳動(dòng)比方案。 其中包括傳動(dòng)裝置最后的輸出軸數(shù)量、功率分流情況、原動(dòng)機(jī)的具體類型以及轉(zhuǎn)速等等。

3.1.2 萬(wàn)向接軸負(fù)荷類別

原動(dòng)機(jī)已經(jīng)確定情況之下就要考慮到，原動(dòng)機(jī)與萬(wàn)向接軸的傳動(dòng)負(fù)荷類別選定，目前主流的負(fù)荷類別包括單向恒定負(fù)荷、脈動(dòng)負(fù)荷或雙向交變負(fù)荷等。 萬(wàn)向接軸的安裝角度設(shè)計(jì)，傾斜、垂直還是水平等。

3.1.3 萬(wàn)向接軸動(dòng)平衡

要確定好原動(dòng)機(jī)和萬(wàn)向接軸的具體工況環(huán)境。根據(jù)具體的工作環(huán)境，如在高溫、粉塵、化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境之中工作，就需要選配合適的萬(wàn)向接軸類別。 同時(shí)萬(wàn)向接軸是否需要進(jìn)行動(dòng)平衡操作、動(dòng)平衡的具體等級(jí)，同樣需要根據(jù)具體的原動(dòng)機(jī)類別和工況環(huán)境來(lái)確定。

3.1.4 萬(wàn)向接軸安裝補(bǔ)償

考慮到萬(wàn)向接軸的安裝位置是否有限制、具體安裝長(zhǎng)度是多少、是否需要伸縮等。 如要求伸縮，萬(wàn)向接軸最短狀態(tài)下向外的伸長(zhǎng)量是多少。 對(duì)于不需要伸縮的萬(wàn)向接軸必須考慮軸向尺寸誤差的補(bǔ)償，確定在系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奈恢谩?通過(guò)對(duì)以上先決條件的了解，逐步確定萬(wàn)向接軸的規(guī)格，最后確定選擇哪一種結(jié)構(gòu)形式。

需要指出的是，目前工業(yè)機(jī)械設(shè)備使用的萬(wàn)向接軸大多數(shù)設(shè)計(jì)都已經(jīng)完成了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。 因此方案設(shè)計(jì)者的主要職責(zé)是根據(jù)具體工況環(huán)境、設(shè)備類別來(lái)選用合適的萬(wàn)向接軸即可。 而在具體的選用過(guò)程中，則應(yīng)當(dāng)關(guān)注到轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)、緩沖減振功能、平衡精度、水平要求等具體客觀要素。

3.2 結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行萬(wàn)向接軸調(diào)試

萬(wàn)向接軸調(diào)試工作實(shí)質(zhì)上是一種后續(xù)補(bǔ)償工作，是為了有效緩解因初期設(shè)計(jì)規(guī)劃不到位而導(dǎo)致萬(wàn)向接軸作用效能無(wú)法有效發(fā)揮的問(wèn)題。 目前各行業(yè)機(jī)械設(shè)備的萬(wàn)向接軸調(diào)試方案和關(guān)注要點(diǎn)有明顯差異，因此筆者以角槽工字鋼型鋼產(chǎn)線軋機(jī)的萬(wàn)向接軸調(diào)試為例展開討論。

1） 角槽工字鋼型鋼產(chǎn)線軋機(jī)設(shè)備萬(wàn)向接軸故障發(fā)生的關(guān)鍵原因在于鋼材軋制產(chǎn)線工作環(huán)境較為惡劣，高溫和細(xì)微粉塵會(huì)對(duì)萬(wàn)向接軸產(chǎn)生緩慢的侵蝕作用，且現(xiàn)階段常見(jiàn)的產(chǎn)線鏈接與封閉模式多為半封閉式，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)微粉塵進(jìn)入設(shè)備鏈接環(huán)節(jié)情況的有效遏制，且在高溫環(huán)境下，細(xì)微粉塵侵蝕作用將被進(jìn)一步放大。 因此在萬(wàn)向接軸調(diào)試過(guò)程中必須要結(jié)合具體工況，對(duì)萬(wàn)向接軸處進(jìn)行適應(yīng)性密封處理，或是采用靜電吸附、除塵袋等方式對(duì)細(xì)微粉塵侵蝕情況進(jìn)行舒緩。

2）軋鋼設(shè)備控制與制動(dòng)模塊在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)根據(jù)鋼材工藝要求進(jìn)行調(diào)整。 如果系統(tǒng)模塊同步不到位、響應(yīng)不及時(shí)，則會(huì)極易出現(xiàn)模塊協(xié)作不同步情況，此時(shí)萬(wàn)向接軸容易產(chǎn)生制動(dòng)扭矩，使其承受較大的沖擊載荷，容易斷裂。 通過(guò)應(yīng)用可調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩，使設(shè)備控制與制動(dòng)模塊同步響應(yīng)，避免單個(gè)萬(wàn)向接軸承受過(guò)大的扭矩。

3）制造萬(wàn)向接軸時(shí)，選材標(biāo)準(zhǔn)低、熱處理工藝不當(dāng)、叉頭鑄造存在缺陷、焊接質(zhì)量差等問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致其在后續(xù)實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。 選擇性價(jià)比高的萬(wàn)向接軸，從材料、設(shè)計(jì)和工藝上保證質(zhì)量，從源頭上減少因質(zhì)量問(wèn)題造成的設(shè)備故障。

4）萬(wàn)向接軸如果所選型號(hào)不能滿足使用要求，很容易出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。 此時(shí)，可以檢查萬(wàn)向接軸的扭矩，確認(rèn)其扭矩是否符合使用要求，確保所選萬(wàn)向接軸能夠達(dá)到或超過(guò)實(shí)際扭矩。

5）萬(wàn)向接軸斷裂開裂的原因不僅受扭矩影響，還與產(chǎn)品質(zhì)量、安裝、承重、工作環(huán)境等因素有關(guān)。

3.3 做好萬(wàn)向接軸輔助配件的檢查維護(hù)

萬(wàn)向接軸作為各工業(yè)機(jī)械設(shè)備彼此鏈接的中間構(gòu)件，主要承擔(dān)了原動(dòng)機(jī)動(dòng)能的傳遞和轉(zhuǎn)運(yùn)工作，因此萬(wàn)向軸在使用過(guò)程中必然涉及到輔助零部件的工作配合問(wèn)題。 而通過(guò)對(duì)輔助零部件的日常維護(hù)和檢查，確保工作環(huán)境的穩(wěn)定和科學(xué)，是發(fā)揮好萬(wàn)向接軸作用效能的一項(xiàng)重要優(yōu)化舉措。

3.3.1 軸管

檢查萬(wàn)向接軸的軸管是否有凹凸。 如果軸管有明顯凹陷，使萬(wàn)向節(jié)軸失去平衡，則應(yīng)在車床上切斷花鍵軸和萬(wàn)向接軸，將比軸管中內(nèi)徑薄的芯軸插入軸管中，并用錘擊修復(fù)凹陷，然后將切割的花鍵軸和萬(wàn)向接軸焊接到位。 為了保證修復(fù)質(zhì)量，焊接時(shí)應(yīng)將軸管放在專用支架上，先在圓周對(duì)稱位置點(diǎn)焊數(shù)點(diǎn)，然后校正撓度，校正后沿圓周焊接。 焊完冷卻后再?gòu)?fù)查一次。 如果擺動(dòng)差太大，應(yīng)該再次重新焊接。 如果萬(wàn)向接軸存在大凹陷損壞情況，則需要整體更換傳動(dòng)軸。

3.3.2 法蘭螺栓

法蘭螺栓是萬(wàn)向接軸的關(guān)鍵輔助配件，對(duì)于萬(wàn)向接軸的工作穩(wěn)定以及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)有著直接作用關(guān)系。 因此在對(duì)輔助配件的日常維護(hù)過(guò)程中，必須要對(duì)萬(wàn)向接軸的法蘭螺栓松緊程度進(jìn)行檢查，并根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，避免因?yàn)榉ㄌm螺栓松動(dòng)而導(dǎo)致萬(wàn)向接軸出現(xiàn)安全隱患。

3.3.3 傳動(dòng)軸總成

傳動(dòng)軸總成是萬(wàn)向接軸扭矩傳遞功能得以有效發(fā)揮的關(guān)鍵，因此在其維護(hù)檢查周期到期時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)傳動(dòng)軸總成進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，如果總成動(dòng)平衡狀態(tài)較差，則需要采取相應(yīng)的動(dòng)平衡補(bǔ)償措施，來(lái)確保萬(wàn)向接軸運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

萬(wàn)向接軸作為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件，在冶金、汽車等領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛使用。 本文針對(duì)近年來(lái)萬(wàn)向接軸在使用過(guò)程中出現(xiàn)的易損情況和具體原因，進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理與總結(jié)，羅列了包括扭曲形變、螺絲松動(dòng)、裂紋斷裂等情況在內(nèi)的各種萬(wàn)向接軸損傷要點(diǎn)，并針對(duì)上述損傷要點(diǎn)情況提出了具備實(shí)操意義的優(yōu)化舉措，以期能夠進(jìn)一步提升萬(wàn)向接軸的工作效能與穩(wěn)定性。