軋鋼機主傳動系統的重載十字軸式萬向節關鍵技術

王光成

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司板帶廠，山東 萊蕪 271104）

萬向節又稱為聯軸器，在機械的傳動中應用廣泛，主要是將兩軸連接在一起，并且在運動的時候不能將其分離，只能等機器停止之后拆開進行分析。萬向節分為剛性和撓性，剛性不允許兩軸之間移動，而撓性則允許兩軸之間移動。十字軸式萬向節結構緊湊，傳動的效率高，應用最廣泛的就是撓性萬向節。主要應用在大型的軋鋼機中，是軋鋼機主傳動系統的重要部件，一般情況下會采用萬向節作為軋鋼機主傳統系統中的聯軸器，而且十字軸式萬向節具有傳動效率快、噪音小、穩定等特點，逐漸將十字滑塊式萬向節所取代。

1 重載十字軸式萬向節技術差距和發展現狀

1.1 技術差距

經過多年的發展，我國十字軸式萬向節的使用壽命已經有了較大的提升，但是也存在一些問題，主要表現在：（1）在正向設計方面的理論不夠完善，缺乏產品理論指導。（2）產品的使用壽命時間短。（3）產品的質量不穩定，影響生產。（4）將很多的因素都歸類在了安全系數中，導致結構的尺寸設計不合理或者強度不足等。

1.2 發展現狀

重載十字軸式萬向節被廣泛應用于大型的軋鋼機或者熱連軋粗軋機等重型機械的主傳動裝置中，在軋鋼機的主傳動系統中，重載十字軸式萬向節都發生過讓研究人員無法解釋的時效現象。因此提出，在軋機設計的初步階段就對整個主傳動系統進行扭振計算，建立扭振模型以及一系列的理論和解析的方法，作為設計軋機扭振的基礎。重載十字軸式萬向節的組成如圖1所示，重載十字軸式萬向節與普通的萬向節不同，它需要通過扁頭和扁頭套與軋輥進行連接，扁頭套雖然不是最薄弱的部分，但是極易發生斷裂。經過相關的研究表明，扁頭套發生斷裂是因為制造的質量沒有達標所致。

圖1 重載十字軸式萬向節示意圖

2 重載十字軸式萬向節的運動學分析

重載十字軸式萬向節的運動學分析主要是采用空間投影幾何法，對相位角以及軸間角進行重點的分析，建立運動公式，并根據公式得出轉角差和轉速差。

2.1 勻速傳動理論

為了解決十字軸式萬向節傳動時的轉速問題，采取雙軸十字軸式萬向節，如圖2所示。

在實際的應用過程中，對十字軸式萬向節在制造以及安裝的過程中會產生變形，導致軸承之間產生了夾角，從而使主傳動系統遭到了破壞，產生了轉速波動，引起了扭振。這種扭振會降低傳動的精確度，引起振動和噪音，同時還會產生一個徑向載荷，引起軸承的振動，嚴重時還會造成一定的磨損，產生壓痕、脫落等現象。

2.2 相位角和夾角對轉速產生的影響

當相位角轉動一圈后，各個相位角所對應的轉角就會出現一定的差值，如表1所示，轉角差會隨著相位角的增加而變大。表2為輸入軸初始位置對轉角差的影響。

表1 相位角對轉角差值的影響

圖2 勻速傳動條件的雙聯十字軸式萬向節

表2 輸入軸初始位置對轉角差的影響

3 重載十字軸式萬向節的動力學分析

采用建模法對傳動系統建立動力學模型，并對扭轉振動以及耦合振動進行分析，提出載荷系數k，對主傳動系統的過程進行分析。

3.1 軋鋼機主傳動系統的動力學模型

在進行萬向節設計之前，需要對傳動系統的特性以及原動機進行聯合分析，從而得出最佳的傳動系統，這也是未來十字軸式萬向節發展的主要方向。軋鋼機主傳動系統是由很多慣性元件和彈性元件組成的系統，如圖3所示，在加載的過程中，主傳動系統的運行穩定，沒有振動，但是在咬鋼、振動的作用下，主傳動系統會發生扭振，引起扭振的主要原因就是過載。對于軋鋼機主傳動系統需要采用動力學方法將主傳動系統中的轉動部件換成相應個數的集中轉動慣量，建立主傳動系統動力學模型，如圖4所示。

3.2 二次分散在十字軸上的應用

十字軸式萬向節中的叉頭功能強大，需要共用一個十字軸，通過十字軸的傳遞使扭矩達到一定的強度，如果十字軸遭到了破壞，會使萬向節失去功能，不能進行正常的運行，而十字軸是萬向節中最重要也是最小的一個部件，軸頸會因為過度的運動造成斷裂。如圖5所示，如果將十字軸的軸根應力集中與疲勞聯系在一起，在對軸頸增加強度時不能采取增加直徑的方式增加十字軸的堅硬度，如果這樣做會因為面積過大，應力集中點發生斷裂，而十字軸也會在極大的壓力之下不斷的擴大，不管是局部應力的問題還是其他的問題，都會遭受到損壞。所以需要采取二次分散法對十字軸的軸根進行設計，緩解軸根的應力集中點。

4 重載十字軸式萬向節的正向設計

對重載十字軸式萬向節進行分析，觀察兩個叉頭之間的運動關系，得出規律，并建立正向設計理論。

圖3 軋鋼機主傳動系統示意圖

圖4 主傳動系統動力學模型

4.1 十字軸式萬向節產生斷裂的原因

十字軸式萬向節主要的部件就是十字軸，但是萬向節的失效方式有很多種，比如十字軸斷裂、變形、壓痕或者脫落、磨損等，而十字軸是萬向節中最重要的部件，制造的費用非常高，一旦破壞會導致萬向節徹底失效。十字軸的斷裂方式有過載折斷和疲勞折斷，在正常的工作下，軸根疲勞遭到破壞，產生裂紋，使得十字軸產生斷裂。當軋鋼機的咬鋼發生扭振時，會影響十字軸的疲勞斷裂，對于可逆式軋機，需要先進行循環處理，在不同的因素影響下，使十字軸承受不了而發生斷裂現象。如圖5所示。

在十字軸式萬向節中，叉頭之間的扭矩需要通過十字軸進行活動，一旦十字軸發生斷裂會造成萬向節停止工作，造成失效現象，而且這種失效是無法改進的，十字軸發生斷裂后會使整個軋鋼機系統癱瘓，軋鋼生產線被迫停止。軋鋼機主傳動系統分為上軋輥和下軋輥，這兩條系統主要的功能就是對十字軸的扭矩進行支撐，當其中一條發生故障后由另一條進行替補。

4.2 十字軸式萬向節運動學設計

在對十字軸式萬向節設計時需要注意工作條件，并且具備一定的工作能力，保證在工作期間壽命能夠持續。重載十字軸式萬向節的軸承需要采用滾針軸承，計算方法為：，從公式中可以得出，k是萬向節的載荷系數，n是萬向節的轉速，β是萬向節的夾角，T是扭矩，R是距離，如圖6所示。

圖5 十字軸的疲勞斷裂

圖6 十字軸結構示意圖

5 結語

重載十字軸式萬向節是軋鋼機的關鍵部件之一，其運行狀況直接影響了軋鋼生產線的安全，對重載十字軸式萬向節的運動原理進行了分析并進行了仿真研究，得出十字軸式萬向節兩端的相位角影響著萬向節的運動特性。對載荷系數的因素也進行了具體的分析，當軋鋼機的咬鋼和拋鋼發生運動后，扭振是主要的影響因素。并根據十字軸式萬向節的傳動理論，對可能出現的位置進行了分析，結合十字軸式萬向節的準則，建立了重載十字軸式萬向節的正向設計理論。