Φ460PQF連軋管機組穿孔機十字軸失效分析與再制造

劉仟民，賀東峰

(1.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301；2.河南三維重工有限公司，河南 洛陽 471003)

Φ460PQF連軋管機組主要設備包括:環形加熱爐、錐形輥穿孔機、5架限動芯棒PQF連軋機、3輥式14機架定徑機和6輥立式斜輥矯直機。圓管坯經環形加熱爐加熱出爐后，經壓力穿孔機穿孔，穿孔后，圓管坯就先后被3輥斜軋擠壓后脫管定徑。Φ460PQF連軋管機組采用的錐形輥穿孔機生產效率高，產品質量好，穿孔擴徑量大，可穿多種鋼種。

聯軸器是聯結原動機與工作機的重要部件，它的損壞將導致機器的停頓，甚至波及到整條作業線，因此對其可靠性的要求相當高。錐形輥穿孔機中采用重型十字軸式萬向聯軸器，其徑向外形小，結構緊湊，維修方便，傳動轉矩大，傳動效率高，使用壽命長，噪聲低；另外一個顯著優點在于能使不在同一軸線或軸線折角較大或軸向移動較大的兩軸等角速連續回轉，并可靠地傳遞轉矩和運動[1-2]。十字軸式萬向聯軸器主要由十字軸總成、凸緣插頭等組成。凸緣插頭上的孔分別套在十字軸總成的4個軸頸上。其中十字軸總成包含的主要零件有十字軸、軸承、波形圈、推力片、O形圈、油塞、油杯、迷宮密封等，十字軸總成的4套軸承利用彈性卡環進行定位。

在穿孔機傳動中，由于所聯結的軋輥直徑有一定限制，因而十字軸式萬向聯軸器的回轉直徑也相應受到限制，軋制過程中實際轉矩往往接近聯軸器的疲勞轉矩，稍有不當還會超出，這種過載現象如頻繁出現，就會大大降低疲勞壽命，從而導致過早失效或損壞。另外，十字軸式萬向聯軸器空間幾何位置的要求也較高，如有不當，就會出現附加轉矩，進而會降低其壽命并影響其傳輸效率。

對于大型聯軸器，由于維修技術不到位和平衡系統調整不當，也會帶來相當于轉矩級別或者更大的附加載荷，有的甚至使十字軸折斷。為了解決這些問題，研究了Φ460PQF連軋管機組錐形輥穿孔機的十字軸總成應用條件，分析了十字軸軸承主要零件的失效形式以及失效的原因，并針對具體的零件提出其再制造方案。

1 應用條件

錐形輥穿孔機的兩根輥軸獨立傳動，兩臺電動機分別將扭矩傳遞給兩個減速機，再通過萬向聯軸器傳遞扭矩給軋輥。穿孔機軋輥的傾角調整范圍為8°～15°；十字軸軸承允許轉角為±10°；主電動機額定功率為6 500 kW，額定電壓為3 800 V；生產現場瞬間最大電流為2 558 A，萬向聯軸器最大轉速為87 r/min；萬向軸所承受的最大軋制力矩為1 950 kN·m；最大瞬間扭矩為4 146 kN·m。

十字軸軸承結構見圖1。十字軸所采用的材料為35CrMoV，主要幾何尺寸為：總長734 mm；軸直徑244 mm；過渡圓弧半徑為108.25 mm；過渡圓弧中心與軸中心線距離為230 mm，十字軸直線段長度為144.35 mm。滾子的材料為GCr15，4根軸上，每根軸采用3排滾子，每排滾子的個數為30粒(即滾子總數量為4×3×30粒)；滾子長度44 mm，直徑30.8 mm。內圈材料為20Cr2Ni4，內徑244 mm，外徑264.02 mm，總長166 mm，由于總長大于十字軸直線段長度，因而內圈內徑與十字軸圓弧配合處有22 mm長的距離上存在錐度以保證內圈與十字軸的配合。十字軸軸承外圈材料為20Cr2Ni4，外徑384.5 mm，內徑325.62 mm，十字軸總深193.5 mm，總高238.5 mm。

圖1 十字軸軸承

2 失效形式

十字軸式萬向聯軸器常見的失效形式包括軸承座螺栓斷裂、十字軸斷裂以及軸承座、叉頭根部裂紋 ，這類失效均為嚴重失效，在十字軸設計中已可以避免[3-6]。Φ460PQF連軋管機組穿孔機停機檢修時，未發現萬向軸嚴重失效，但其十字軸軸承部分零件已發生失效，主要的失效零件為軸承內圈、十字軸表面以及滾動體。十字軸軸承內的3排滾動體失效程度不等，靠近端面軸承位置的滾動體較易發生嚴重剝落，但軸承外圈未發生失效。

圖2為拆卸后Φ460PQF連軋管機組穿孔機十字軸軸承內部零件失效圖。其中圖2a為未拆卸內圈的十字軸，由圖可以看出：內圈發生斷裂，靠近十字軸軸端(即裝配后靠近軸承端面部位)失效較為嚴重，斷口較寬；圖2b為內圈拆卸后的十字軸，發現十字軸大部分圓周表面尚可，嚴重剝落亦發生在軸端側，軸端面發生了較為嚴重的磨損；圖2c為失效的滾動體。

圖2 十字軸軸承內零件失效

3 失效原因分析

通過十字軸軸承內的零件失效形式分析可知，十字軸軸承內的零件承受較大的載荷造成材料失效是其失效的主要原因。

3.1 應力特性

聯軸器工作時，十字軸軸承承受由叉頭傳遞過來的應力(包括主動軸與從動軸)，作用在十字軸的4根軸上的兩對力分別構成一對大小相等、方向相反的力偶。理論上，同一方向上兩軸的中心線是重合的(實際上兩軸的傾角也很小，可以忽略)，兩條中心線也在同一平面上，則構成兩力偶的力均處于十字軸軸線平面內，且載荷沿十字軸的軸向呈梯形分布。十字軸外圓表面分布的載荷在圓弧上呈余弦曲線分布。

由于力偶作用，十字軸的中心線與十字軸外套中心間產生一個夾角，使得十字軸的軸端與端面滑動軸承小面積接觸，十字軸軸端產生極大應力并作用于端面滑動軸承使得滑動軸承發生早期失效。端面軸承對于十字軸端面的反力以及十字軸所承受的對稱力偶造成十字軸的端部(即圖3中的A點處)承受兩個方向的擠壓力，因而成為十字軸的又一薄弱環節。

圖3 十字軸的應力分布

3.2 十字軸式萬向聯軸器的速度特性

單個十字軸式萬向聯軸器在主動軸和從動軸之間有夾角的情況下，當主動叉等速轉動時，從動叉是不等速的，且兩轉軸之間的夾角α越大，不等速性就越大。圖4中的兩條曲線分別為兩轉軸之間夾角α為10°和20°時的不等速特性曲線(橫軸為旋轉角度)。十字軸式萬向聯軸器的不等速特性，將使從動軸及其相連的傳動部件產生扭轉振動，從而產生附加的交變載荷，影響部件壽命。Φ460PQF連軋管機組穿孔機采用雙十字軸萬向聯軸器的傳動方式，其目的是利用第二萬向聯軸器的不等速特性來抵消第一萬向聯軸器的不等速特性。消除不等速特性的重要條件是兩個萬向聯軸器的兩軸間夾角相等。但實際使用中，由于巨大的軋制力作用可能造成懸架振動，難以完全避免不等速特性。

圖4 十字軸式萬向聯軸器的不等速特性

4 再制造方案

十字軸軸承的修復過程中，首先必須考慮的是穿孔機主傳動系統中凸緣插頭與十字軸軸承外圈的配合尺寸，該尺寸限制了十字軸軸承修復中的設計變量，因而以凸緣插頭孔尺寸作為給定設計參數提出再制造方案。由于外形尺寸的限制，影響到十字軸軸承整體壽命并須嚴格優化的兩個關鍵參數分別為十字軸的強度與軸承的承載能力。

4.1 十字軸再制造

影響十字軸使用壽命的幾何參數主要為十字軸直徑、十字軸過渡圓弧半徑以及滾動軸承的寬度。由于十字軸底端承受較大交變應力，是危險部位，該部位的圓弧半徑尺寸影響到十字軸的壽命。因此，十字軸強度校核的優化設計變量可取為十字軸直徑D、滾動軸承寬度B以及過渡圓弧半徑R3個參數，其優化變量式可表示為：

X=[D,B,R]

(1)

由已知條件，傳遞的扭矩為1 950 kN·m，以十字軸所承受的最大主應力δmax最小為目標函數進行單目標優化，即：

δmax=f(D,B,R)

(2)

利用懲罰函數法，采用零階處理求解(2)式，得軸直徑D=244.3～247 mm；B=163～166 mm，R=108.25 mm。

此優化結果限制軸頸變化，但端部軸頸尚有少量裕量。因而確定十字軸的修復方案如下：外圈最大修磨量300 μm，如超過該尺寸但還有修復價值的則采用400 ℃加熱后進行補焊，然后再修磨外徑面。端面允許最大修正量3 mm，如超過此尺寸但還有修復價值的則采用400 ℃加熱后進行補焊，然后再修磨外徑面。由于端面尺寸修正量較大，為了保證端面整個尺寸鏈的有效性，需調整波形圈尺寸以補償修磨量。

4.2 內圈再制造

拆卸下來的內圈基本都已經失效，無法再利用，須重新制作所有內圈。通過十字軸的再制造過程可知，內圈尺寸應遠離軸端側并向內平移，最大平移量為3 mm，具體增加量依據磨損情況確定。值得注意的是，內圈平移過程中，內圈錐形倒角量應與十字軸修磨量對應以保證安裝。

4.3 滾子再制造

滾子直徑、滾子長度、滾子個數以及滾子組節圓直徑是影響整套軸承承載能力的關鍵參數。其中，節圓直徑的大小取決于內圈外徑與滾子直徑兩個參數，內圈外徑已確定，由于外圈參數不變，因而直徑名義尺寸值也不需變化。

通過設計計算，原設計中的承載能力接近該十字軸承受的外載荷的一半，顯然這些參數是優化后的結果，因而再制造過程中滾動體幾何尺寸，即名義尺寸不變，這樣該十字軸上的4套滿裝3列圓柱滾子軸承的徑向承載能力與原設計相同。但再制造過程中細節上應注意變更圓柱滾子的倒角尺寸，加大滾子倒角以避免滾子端部應力集中。

4.4 端面軸承再制造

端面軸承原采用普通聚四氟乙烯高分子材料制造，十字軸改制后，由于端面軸承軸向尺寸最大增加3 mm(具體增加量依據磨損情況而定)，考慮到剛性問題，改用埋入石墨+碳素+玻璃纖維的聚四氟乙烯的高分子材料制造，其徑向尺寸不變。

4.5 游隙的控制

同一軸線上的一對軸承的游隙不等時，可能造成單軸受力的情況，這將使得某一軸承受的載荷增加兩倍，極易造成單頭斷裂而導致十字軸失效。

游隙控制的關鍵在于滾子尺寸配制。再制造過程中，由于滾子尺寸大多為非標尺寸，滾子的制造數量也有一定限制，這就為選配游隙造成了很大困難。在選配條件難以保證的條件下，再制造過程中首先修磨內、外圈尺寸，依內、外圈尺寸來配制滾子尺寸公差就成了再制造過程中的重要一環。因此，重組十字軸軸承時，應嚴格控制4個軸承的游隙，并且同軸線上的對應軸承游隙應當相等，其誤差應控制在微米級。

5 結束語

分析了Φ460PQF連軋管機組錐形輥穿孔機十字軸軸承主要零件的失效形式以及造成失效的原因，針對具體的零件提出其再制造方案。值得注意的是，失效形式與原機的設計緊密相關，不同的失效形式對應的再制造方案是不同的，以上僅僅討論具體工況條件以及確定檢修周期之下的再制造方案及其過程。