矯直機萬向軸強度分析

李寧

摘要：馬鋼某廠11輥矯直機，從德國西馬克公司引進，在使用的10多年里，曾出現了一些問題，特別是萬向軸斷裂，影響了正常生產，針對該問題，本文對矯直機萬向軸進行了強度分析，確認了萬向軸強度合格，對該問題的進一步研究給出了方向性的建議。

關鍵詞：矯直機;萬向軸;斷裂;強度

0 ?引言

萬向聯軸器又稱萬向軸，屬于剛性可移式聯軸器，用于聯接軸線相交、平行或交錯的兩軸，以傳遞運動和動力。這種聯軸器能夠在兩軸軸線夾角發生變化時，保證所聯接的兩軸連續回轉，可靠地傳遞較大扭矩。同帶傳動、鏈傳動等傳動機構相比，它所傳遞的扭矩范圍較大，而且結構緊湊，傳動效率高，維修保養也比較方便，具有其它機構不可替代的明顯優點[1]。

按萬向軸在扭轉方向上是否有明顯的彈性可分為剛性萬向節和撓性萬向節。剛性萬向節又可分為不等速萬向節、準等速萬向節和等速萬向節三種。十字軸式剛性萬向具有結構簡單、傳動效率高的優點，但由于允許相鄰兩軸的最大交角為15～20°，所以不能傳遞等角速轉動。常見的準等速萬向節有雙聯式和三銷軸式兩種，它們的工作原理與雙十字軸式萬向節實現等速傳動的原理是一樣的。目前轎車上常用的等速萬向節為球籠式萬向節，也有采用球叉式萬向節或自由三樞軸萬向節的。

1 ?傳動系統

矯直機被要求有安全、穩定、能適應不斷改進需要的傳動系統。主傳動系統普遍采用電機、減速齒輪分配箱、安全聯軸器、萬向接軸、矯直輥的傳動方式。矯直機矯直鋼板時，由于長度方向發生塑性變形，導致鋼板與矯直輥速度差可達到3%[2]，因而產生附加扭矩，易導致接軸和齒輪損壞，該廠11輥矯直機傳動系統如圖1所示，由電機、分配減速機、11根萬向接軸組成，傳動11個工作輥，萬向接軸采用十字軸接軸，其上裝有安全打滑聯軸器，用于在瞬時扭矩過大時產生滑動從而保護減速箱。

在該傳動系統中，矯直機總共11件，分上下兩層安裝，層5件，下層6件，上下層單獨分布如圖2所示。

萬向接軸的應力分析與強度校驗常用的方法有理論分析法、光彈實驗模擬法和有限元分析法三種[3]，本文采用理論分析法進行強度校核。

在該廠生產的權限工況中，屈服強度最大的鋼板是X60，厚度20mm，屈服強度？滓s=？叟60kpsi=413.8Mpa，生產時出現最大扭矩TX60=12.91KN·m。

2 ?中間接軸強度計算

在該矯直機傳動系統中，萬向軸主要用于傳遞扭矩和轉動至矯直輥，因此符合傳動軸扭轉強度計算條件，本文根據萬向軸所受的扭矩來計算其的強度。

實心軸的扭轉強度條件為：

空心軸的扭轉強度條件為：

，其中？茁即空心軸的內徑d1與外徑d之比，通常取？茁=0.5-0.6;

？子T為扭轉切應力。

式中 ?T——軸受的扭矩;

WT——軸的抗扭截面系數;

n——軸的轉速;

P——軸傳遞的功率;

d——計算截面處軸的直徑;

[？子T]為許用扭轉切應力，查表得？滓s=235MPa，[？子T]取其屈服強度的0.6-0.8倍，安全起見取0.6，即[？子T]=141Mpa。

萬向軸中間接軸由兩部分組成，較短的一段為實心軸，較長一段為空心軸，分別引用公式1和2計算兩部分接軸的扭轉強度，如下：

根據現場已知條件，有

T=12.91KN·m，d實=95mm，d空=138mm，？茁=0.54（0.915），[？子T]=141Mpa。

？子T1=75.29Mpa

？子T2=26.84Mpa

可得，？子T1？燮[？子T]，？子T2？燮[？子T]

故萬向軸中間接軸部分強度合格。

3 ?十字軸強度校核

本文所研究的萬向軸的傳動傾角相對較小，可以忽略簡化，將十字軸整體的受力情況簡化為圖3所示，作用于十字軸上的大小相同方向相反的兩對力偶處于十字軸軸線平面內[4]。

十字軸的材質42CrMo，查得屈服極限？滓s=930MPa，？滓b=1080MPa， [？滓]=558MPa，H=225mm，R=90mm，S=15mm，d=60mm，d1=0mm，

由TC=KMg

式中 ?K——工作條件系數，取為1.1～1.3;

Mg——最大力矩，按上文計算為12.91KN·m;

式中 TC——聯軸器的計算轉矩;

R——十字軸中心到軸徑中部的距離;

s——軸徑中部至軸肩的距離;

d——軸徑直徑;

[？滓]——許用彎曲應力;

帶入數據 ，求得

所以十字軸強度合格。

4 ?結論

通過以上計算可以初步確定萬向軸實心軸段發生斷裂并非萬向軸本身的選材選型和尺寸設計缺陷，應該對已斷裂的萬向軸進行成分檢測，來進一步排除加工或熱處理的問題。

另外，應該重點關注的連接萬向軸與減速箱輸出軸的安全打滑離合器的工作狀態，據現場觀察，在萬向軸出現斷裂時，該安全打滑離合器并未產生滑動，據此推測是否該離合器設定數值不合理，因此，接下來需要對安全打滑離合器進行測試，在此不做進一步研究。

參考文獻：

[1]王慕文，井勇，張昌義，等.萬向軸在橋式起重機大車傳動機構的應用[J].冶金設備，2002（5）：31-34.

[2]戴周淵.軋鋼機萬向連接軸的研究和計算[M].冶金工業出版社，1957.

[3]臧勇.滑塊式萬向軸的強度和結構分析[J].機械設計，2002（12）：25-27.

[4]王革，陳大宏，閆軍，等.萬向軸叉頭強度分析[J].華東冶金學院學報，1995，12（3）：284-289.