中板軋機(jī)萬(wàn)向軸國(guó)產(chǎn)化選型分析

黃 強(qiáng)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇無(wú)錫 214400）

1 概述

興澄特鋼中板產(chǎn)線主要設(shè)備是意大利達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的進(jìn)口設(shè)備，一臺(tái)軋制力為80000 kN的軋機(jī)，年產(chǎn)120萬(wàn)t鋼板。軋機(jī)萬(wàn)向軸為十字軸式，主電機(jī)端回轉(zhuǎn)直徑為1000 mm，軋輥端回轉(zhuǎn)直徑為 860 mm。軋機(jī)萬(wàn)向軸總長(zhǎng)度為 11640（＋205/-210）mm，軋機(jī)主電機(jī)功率為8000 kW，主電機(jī)轉(zhuǎn)速為0/85/220 r/min，最大傾角5°。萬(wàn)向軸分上下水平布置，分別與上下輥配套使用，上下尺寸均相同。萬(wàn)向軸輥端軸套、輥端十字包、短軸、中間軸、電機(jī)端十字包、電機(jī)端連接法蘭6部分組成。其中十字包又包括十字軸、叉頭等關(guān)鍵部件，這些部件通常選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，經(jīng)多種熱處理工序和機(jī)加工工序制成。它所具備高強(qiáng)度、高硬度和耐磨的特性，是保證主傳動(dòng)萬(wàn)向軸扭矩傳遞和工作壽命的關(guān)鍵。萬(wàn)向軸采用單元模塊化結(jié)構(gòu)，將十字包、軸套等設(shè)計(jì)成獨(dú)立單元，各單元間使用端面齒和12.9級(jí)強(qiáng)度螺栓連接，各單元可以單獨(dú)更換，拆裝方便。

2 關(guān)鍵零件選型計(jì)算

根據(jù)主電機(jī)功率轉(zhuǎn)速、扭矩和電機(jī)與軋輥端距離，萬(wàn)向軸水平布置能滿足軋制扭矩要求。

2.1 十字軸材料、強(qiáng)度分析計(jì)算

2.1.1 材料參數(shù)

十字軸材質(zhì)：20Cr2Ni4A；

表面光潔度：1.6 μm；

單根軸傳遞最大理論轉(zhuǎn)矩公式：T=9.55Pw/n

式中，Pw——驅(qū)動(dòng)功率，Pw=8000 kW；

n——最小工作轉(zhuǎn)速，n=80 r/min；

計(jì)算得出：T=955 kN·m。

2.1.2 十字軸強(qiáng)度計(jì)算

主要研究回轉(zhuǎn)直徑860 mm十字包組件的十字軸。

十字軸主要失效形式為軸頸在軸肩處彎曲強(qiáng)度不足，此處應(yīng)力最大（見(jiàn)圖1十字軸有限元分析）。十字軸最大應(yīng)力發(fā)生在截面A-A處（見(jiàn)圖2十字軸受力分析），已知萬(wàn)向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T，可求出作用在十字軸軸頸中部的力P。

圖1 十字軸有限元分析

圖2 十字軸受力分析

（1）P=T/2R

式中，十字軸中心到軸頸中部的距離R=299 mm；

萬(wàn)向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T=955 kN·m=9.55×108N·mm。

計(jì)算得出：P=1.6×106N。

（2）A-A截面彎矩MW=P×S

式中，軸頸中部到軸肩的距離S=105 mm。

計(jì)算得出：MW=1.6×106×105=1.68×108N·mm。

（3）A-A截面彎曲應(yīng)力為σW=MW/W

式中，A-A截面抗彎截面系數(shù)W=πd3/32；

危險(xiǎn)A-A截面直徑d=290 mm。

計(jì)算得出：σW=MW/W=1.68×108×32/πd3=70.1 N/mm2。

（4）許用彎曲應(yīng)力[σ]：[σ]=σb/n式中，σb——材料抗拉強(qiáng)度；

n——安全系數(shù)（考慮軋機(jī)萬(wàn)向軸受循環(huán)應(yīng)力和較大沖擊，一般取n=5）。

故 [σ]=1483 N/mm2/5=296.6 N/mm2。

根據(jù)危險(xiǎn)截面所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，σW＜[σ]。

由此可見(jiàn)，選用該型號(hào)尺寸萬(wàn)向軸十字軸符合使用要求。

2.2 叉頭材料、強(qiáng)度分析計(jì)算

2.2.1 材料參數(shù)

叉頭材質(zhì)：34CrNi3MoA；

σb=805 MPa（經(jīng)調(diào)質(zhì)處理）；

單根軸傳遞最大理論轉(zhuǎn)矩公式：T=9.55Pw/n

式中，Pw——驅(qū)動(dòng)功率，Pw=8000 kW；

n——最小工作轉(zhuǎn)速，n=80 r/min。

計(jì)算得出：T=955 kN·m。

2.2.2 叉頭強(qiáng)度計(jì)算

主要研究回轉(zhuǎn)直徑860 mm十字包組件的叉頭。

叉頭與十字軸組成的十字包組件，在工作過(guò)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Ⅰ-Ⅰ截面上產(chǎn)生的應(yīng)力最大，可作為強(qiáng)度計(jì)算的危險(xiǎn)截面，見(jiàn)圖3十字軸式叉頭有限元分析和圖4十字軸式叉頭受力圖。在危險(xiǎn)截面Ⅰ-Ⅰ處，已知萬(wàn)向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T,可求出作用在叉頭鏜孔上的力P。

圖3 十字軸式叉頭有限元分析

圖4 十字軸式叉頭受力分析

（1）P=2T/L；

式中，十字軸端作用力P的力臂L=588 mm；

萬(wàn)向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T=955 kN·m=9.55×108N·mm。

計(jì)算得出：P=3.2×106N。 圖中被計(jì)算的Ⅰ-Ⅰ截面與叉頭軸線間夾角θ=45°，叉頭孔所受的力P，Ⅰ-Ⅰ截面承受彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算危險(xiǎn)截面抗彎模量和抗扭模量時(shí)，把斷面轉(zhuǎn)化為相似的梯形斷面。

（2）Ⅰ-Ⅰ截面彎矩MW=P×x1

式中，叉頭孔中部作用點(diǎn)到Ⅰ-Ⅰ截面的距離x1=200 mm。

計(jì)算得出：MW=3.2×106×200=6.4×108N·mm。（3）Ⅰ-Ⅰ截面彎曲應(yīng)力為σW=MW/W

式中，Ⅰ-Ⅰ截面抗彎截面系數(shù)W=

危險(xiǎn)Ⅰ-Ⅰ截面 C1=250 mm；C2=150 mm；C3=300 mm。

計(jì)算得出：σW=MW/W=6.4×108/7.3×106=87.7 N/mm2。

（4）Ⅰ-Ⅰ截面剪切應(yīng)力為τW=P×x2/WK

式中，叉頭孔中部作用點(diǎn)到Ⅰ-Ⅰ截面對(duì)稱中心線距離x2=180 mm。

Ⅰ- Ⅰ截面抗扭截面系數(shù)

系數(shù) γ=（C2+C3）/C1；斷面長(zhǎng)寬比，取 γ=0.415。

危險(xiǎn)Ⅰ-Ⅰ截面 C1=250 mm；C2=150 mm；C3=300 mm。

計(jì)算得出：τW=P×x2/WK=3.2×106×180/1.17×107=49.2 N/mm2。

（5）由強(qiáng)度理論，可以得出強(qiáng)度條件：

（6）許用彎曲應(yīng)力[σ]：[σ]=σb/n

式中，σb為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)（考慮軋機(jī)萬(wàn)向軸受循環(huán)應(yīng)力和較大沖擊，一般取n=5）。

故[σ]=805/5=161 N/mm2。

根據(jù)危險(xiǎn)截面所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，σ＜[σ]。

由此可見(jiàn)，選用該型號(hào)尺寸萬(wàn)向軸符合使用要求。

2.3 軸承接觸疲勞壽命計(jì)算

為了保證萬(wàn)向軸在長(zhǎng)期不同的環(huán)境下工作，在設(shè)計(jì)制造上采用了不同形式的密封結(jié)構(gòu)和軸承滾動(dòng)體布置。裝在十字軸上的滾動(dòng)軸承是十字軸式萬(wàn)向軸的又一關(guān)鍵設(shè)部件，在萬(wàn)向軸選型時(shí)要對(duì)軸承接觸疲勞壽命進(jìn)行校核。軸承接觸疲勞壽命LN按下式校核：

式中，KL——軸承容量系數(shù)，KL=16.18×106；

K1——原動(dòng)機(jī)系數(shù)，電動(dòng)機(jī)K1=1；

n——最小工作轉(zhuǎn)速，n=80 r/min；

T——理論轉(zhuǎn)矩，T=955 kN·m；

β——最大工作傾角，β=5°；

LNmin——設(shè)計(jì)要求最短壽命。

計(jì)算得：LN=KL×1010/K1×n×β×T10/3=4.7×104h

根據(jù)軸承接觸疲勞壽命計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求的最短壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)萬(wàn)向軸的結(jié)構(gòu)組成的分析，對(duì)主要部件十字軸、叉頭的受力分析計(jì)算以及軸承疲勞壽命計(jì)算，能夠滿足大扭矩板材軋機(jī)的設(shè)計(jì)壽命要求。興澄中板生產(chǎn)線自投產(chǎn)使用至今，萬(wàn)向軸使用狀況良好，滿足軋鋼工藝要求，未出現(xiàn)各類重大設(shè)備事故，實(shí)踐證明了國(guó)產(chǎn)化萬(wàn)向軸能夠滿足大扭矩板材軋機(jī)的的使用。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.