對十字軸式萬向聯軸器強度分析及改進設計的探討

摘要：本文介紹并討論了棒材軋鋼十字軸式萬向聯軸器十字軸、軸承座及叉架的受力分析，并運用了實體設計分析軟件(sOLIDWORKS)對十字軸、軸承座及叉架結構優化設計及強度改進等問題。

關鍵詞：十字軸式萬向聯軸器強度改進

0引言

萬向聯軸器是軋機主傳動中的關鍵部件，用于傳遞軋制扭矩。由于受空間的限制，要求萬向聯軸器的尺寸要小，一般萬向軸的直徑要比軋輥直徑小5-15mm，或為軋輥名義直徑的85％-95％，這使得萬向軸往往成為主傳動裝置中強度較小的部件。十字軸式萬向聯軸器具有傳動效率高、傳遞扭矩大、傳動平穩、潤滑條件好、噪音低、使用壽命長、允許傾角大和使用于高速運轉等優點，近年來越來越多地應用于軋機主傳動系統中。十字軸式萬向軸在實際生產中經常出現的事故有十字軸的折斷、軸承座的連接螺栓松動或拉斷、叉架的變形及斷裂等，這些事故的發生均與萬向軸的結構設計及制造工藝有非常大的關系。目前，我廠粗軋萬向軸的此類斷裂事故較為頻繁，對生產影響較大。本文以我廠粗軋機萬向軸的使用及改進等問題進行探討。

1萬向軸的受力分析

1.1十字軸的受力分析在十字軸的每個軸頭上，軸承座給十字軸的壓力由滾針軸承承擔，假設該力在沿軸向滾子有效接觸長度上均勻分布，則在十字軸斷面內，只有受力的半圈軸承滾動體承受載荷，而這半圈內各滾動體承受載荷的大小是不同的，中間的滾動體受力最大，其他的沿兩側逐漸減小，處在最兩側的滾動體受力為零(軸承座內孔的加工精度對此也影響較大)。而十字軸的受力大小則是半圈滾動體所受力的合力。

由此，十字軸的受力可簡化為大小相同、方向相反的兩對力偶。這兩對力偶處于主傳動與被傳動軸所決定的平面內，如不計兩軸的傾角，則構成兩力偶的力均在十字軸軸線平面內。通過在強大的實體設計及分析軟件SOLID-WORKS中建立十字軸的實體模型，將實際中十宇軸受到的力與力矩作用于十字軸4個軸頭受力的半圓柱面上，則可顯示整個十字軸的應力值分布、各部位受力后的位移以及及強度安全系數等。分析表明，十字軸頭的截面積剪切應力與扭矩完全滿足要求，但是軸頭根部兩過渡圓角的應力值是受力中的最大值，應力梯度非常大。尤其是圓角較小的R1處更是如此，應力集中較為明顯，在交變載荷下極易產生疲勞，是裂紋和斷裂產生的根源。

1.2法蘭叉架及軸承座的受力分析法蘭叉架軸承座可看作是懸臂梁結構，軸承座根部一側受拉應力，另一側受壓應力，其叉架根部不僅受到大小為F的力作用，還受到力矩為Fx H的作用。在此力與力矩的交變作用下，叉架軸承座與法蘭連接的根部便是疲勞產生與斷裂的根源。由此，軸承座的中心高度H和軸承座根部過渡圓弧大小的結構設計對法蘭叉架的強度影響很大。

軸承座內孔圓周表面一側承受壓應力，一側則不受力。軸承座受的力通過連接軸承座的螺栓，使得螺栓承受拉應力，因此，螺栓的預緊力就顯得尤為重要。螺栓的預緊力使得座與下軸承座接觸面內產生接觸壓力，隨著預緊力的增大，接觸壓力也上升。這種預緊力的變化隨傳遞扭矩的增大而增大。如果預緊力較小，而傳遞扭矩過大，則受力側的上下軸承座間壓力可能下降為琴，這時上下軸承座間將出現間隙，而扭矩減小時，間隙會消失，從而產生沖擊，而此時為保證傳動，與其對稱的另一軸承座將會受到很大的力而率先導致疲勞斷裂，這對十字軸的使用壽命是極為不利的。另一方面，如果螺栓的預緊量太大，螺栓的拉應力也隨著增大，螺栓極易被拉斷。所以螺栓的預緊量應根據不同的扭矩確定合適的一個范圍，保證上下軸承座的完全接觸狀態。

2改進方法

2.1經過仔細核算，十字軸的軸徑均能滿足軋制扭矩，從現場斷裂的十字軸分析來看，裂紋根源與斷裂處均從軸根部的過渡圓角處發生，說明此處的應力較為集中，應力分布梯度很大，這與通過實體模型分析軟件(SOLIDWORKS)的結果一致。我們通過略微增大軸徑以減小R1，增大R2處過渡圓角的半徑，并且保持適當的比例，使得軸根部的集中應力值降低，十字軸的應力分布較為均衡。

2，2首先，在法蘭叉架尺寸無法改變的情況下，叉架軸承座的的受力F不變，軸承座的中心高度在滿足安裝尺寸及運轉傾角的前提下降低，這樣就會使叉架軸承座承受的彎矩減小。其次，適當增加法蘭的厚度，并在軸承座根部設計圓弧筋板，使得應力集中的部分應力平滑過渡，加強法蘭叉架薄弱環節的承載強度。

2.3對軸承座螺栓在安裝時進行適當的預緊，并采取防松措施。

2.4將剖分式軸承座改為整體式軸承座，避免因螺栓斷裂或松動造成的十字軸損壞。

3結論

經過以上優化設計及改進，萬向軸在沒有改變安裝連接尺寸的情況下，公稱扭矩與疲勞扭矩均提高了30％以上，我廠的粗軋萬向軸使用壽命已由原來的3-4個月增加到10-12個月以上。不僅大幅度提高了生產作業率，也大大降低了生產成本與工人勞動強度，取得了很好的經濟效益，對其他廠也具有很好的借鑒價值。③綜合利用各種相關數據，如航片、土地利用專題圖等”a，提高檢測結果的實用性和有效性；④綜合利用多種遙感變化檢測方法，提高遙感變化檢測精度，每種方法都不可能適用于所有的情況，將多種變化檢測方法結合起來不失為一種有效可行的手段。

3 結論與展望

土地利用／土地覆蓋遙感變化檢測是遙感技術、地球信息科學和數字圖像處理技術等學科技術的交叉點，遙感數據獲取技術、遙感信息處理技術、土地利用，土地覆蓋研究三者相互促進。人類社會的加速發展同時也在加速改變著自然環境和生態系統，這就要求土地利用／土地覆蓋遙感變化檢測的精度與效率必須得到相應的發展；土地利用／土地覆蓋遙感變化檢測精度與效率的提高則需要多源、多分辨率的遙感數據和與之相適應的變化檢測方法。另一方面，其他學科變化檢測方法的引入也促進了土地利用／土地覆蓋研究。