興澄特鋼3?500?mm爐卷軋機(jī)國(guó)產(chǎn)萬向接軸選型設(shè)計(jì)分析

吳鋒

摘 要：該文介紹了3 500 mm爐卷軋機(jī)國(guó)產(chǎn)萬向接軸的選型設(shè)計(jì)，介紹水平布置萬向接軸的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，實(shí)踐證明，國(guó)產(chǎn)水平布置萬向接軸完成能夠滿足大功率大扭矩板材軋機(jī)使用，對(duì)于提高爐卷軋機(jī)主萬向接軸的承載能力具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：爐卷軋機(jī) 萬向接軸 分析

中圖分類號(hào)：TG337 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（a）-0043-02

興澄3500爐卷線是從意大利DANIELI進(jìn)口的全套設(shè)備，一臺(tái)爐卷軋機(jī)，年產(chǎn)量為120萬t。爐卷軋機(jī)萬向接軸兩端為十字軸式，主電機(jī)端回轉(zhuǎn)直徑為1 000 mm，軋輥端回轉(zhuǎn)直徑為860 mm。

1 概述

爐卷軋機(jī)萬向接軸總長(zhǎng)度（12 500±300）mm，伸縮量150 mm，軋機(jī)主電機(jī)功率8 000 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速0/±85/220 rpm，公稱轉(zhuǎn)矩4 900 kN·m，最大傾角5°。萬向接軸分上下兩種、分別與上、下輥配套使用，上下兩種結(jié)構(gòu)尺寸均相同，分別由輥端關(guān)節(jié)、短軸、中間軸、電機(jī)端關(guān)節(jié)、輥端軸套、電機(jī)端連接法蘭6部分組成。萬向接軸采用單元化結(jié)構(gòu)、將關(guān)節(jié)、短軸、中間軸部分、輥端軸套、電機(jī)端連接法蘭設(shè)計(jì)成獨(dú)立單元。各單元之間使用端面齒和12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接，各單元之間可單獨(dú)更換，拆裝方便。

2 設(shè)計(jì)及加工工藝

根據(jù)主電機(jī)轉(zhuǎn)速功率、扭矩和電機(jī)與輥端距離，萬向接軸水平布置能滿足軋制扭矩要求。

2.1 關(guān)鍵零件材料及加工工藝

（1）關(guān)鍵零件材料：十字軸：材質(zhì)20Cr2Ni4A鍛件，叉頭：材質(zhì)34CrNi3MoA，托架軸：材質(zhì)40CrNiMoA鍛件，輥端軸套、電機(jī)端連接法蘭：材質(zhì)42CrMoA鍛件。

（2）主要零件制造工藝：十字軸工藝：鍛造—正火—打中心孔—粗車—半精車—鉆油孔—精車—銑—超聲波探傷—滲碳淬火—磨中心孔—磨外園、端面—磁粉探傷—上油入庫(kù)；法蘭叉頭工藝：鑄造—退火—粗車—調(diào)質(zhì)—精車—超聲波探傷—銑端面齒—鉆攻螺孔—粗鏜軸承孔—精鏜軸承孔—磁粉探傷—上油入庫(kù)。

2.2 強(qiáng)度分析和計(jì)算

2.2.1 十字軸彎曲強(qiáng)度

十字軸材料選用20Cr2Ni4A，經(jīng)滲碳淬火后，表面硬度達(dá)HRC58～64。十字軸軸頸的主要失效形式是軸頸在軸肩處的彎曲強(qiáng)度不足，其彎曲強(qiáng)度條件為：

N/mm2

Tc為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·mm；

R為十字軸中心到軸頸中部的距離，mm；

S為軸頸中部至軸肩的距離，mm；

d為危險(xiǎn)截面直徑，mm；

di為軸頸內(nèi)油孔直徑，mm；

[σμ]為十字軸材料的許用彎曲應(yīng)力。

一般取[σμ]=σs/3，N/mm2；

σs為十字軸材料的屈服極限，N/mm2。

經(jīng)計(jì)算結(jié)果如表1。

結(jié)果表明：[σμ]/σ=5.47，可見設(shè)計(jì)是合理的。

2.2.2 叉頭強(qiáng)度校核

叉頭與十字軸組成的聯(lián)接支承，在聯(lián)軸器工作過程中，產(chǎn)生支承反力，叉頭體受到彎曲和剪切，一般在與十字軸軸頭中心線成45°的截面NN上產(chǎn)生的應(yīng)力最大，可作為強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的危險(xiǎn)截面，危險(xiǎn)截面的形狀比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況，我們將其轉(zhuǎn)化為橢圓形截面。

NN截面上的彎曲應(yīng)力：

N/mm2

NN截面上的剪切力：

N/mm2

式中：F為作用于叉頭孔上的力（N）；

c為叉頭孔上力作用點(diǎn)至NN截面距離（mm）；

a為叉頭孔上力作用點(diǎn)至NN截面對(duì)稱中心線距離（mm）；

W為NN截面的抗彎模量（mm3）。

W

WT為NN截面的抗扭模量（mm3）。

WT

h、b分別為橢圓的長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度（mm）。

由強(qiáng)度理論，可得其強(qiáng)度條件：

≤N/mm2

式中：為叉頭材料的許用應(yīng)力（N/mm2）。

對(duì)于經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的34CrNi3MoA材料，其σb=805N/mm2。

叉頭強(qiáng)度校核計(jì)算的結(jié)果如表2：

滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)正確合理。

2.2.3 叉頭有限元分析

應(yīng)力圖解如圖1。通過有限元分析，法蘭叉頭的安全系數(shù)為5.07，大于5，設(shè)計(jì)安全可靠。

3 結(jié)語

興澄3500爐卷線2010年4月份正式投產(chǎn)，投產(chǎn)至今萬向接軸使用情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，滿足軋鋼工藝扭矩要求，未出現(xiàn)各類重大設(shè)備事故。實(shí)踐證明，國(guó)產(chǎn)水平布置萬向接軸完成能夠滿足大功率大扭矩板材軋機(jī)使用。

參考文獻(xiàn)

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