矫直机万向轴强度分析

李宁

摘要：马钢某厂11辊矫直机，从德国西马克公司引进，在使用的10多年里，曾出现了一些问题，特别是万向轴断裂，影响了正常生产，针对该问题，本文对矫直机万向轴进行了强度分析，确认了万向轴强度合格，对该问题的进一步研究给出了方向性的建议。

关键词：矫直机;万向轴;断裂;强度

0  引言

万向联轴器又称万向轴，属于刚性可移式联轴器，用于联接轴线相交、平行或交错的两轴，以传递运动和动力。这种联轴器能够在两轴轴线夹角发生变化时，保证所联接的两轴连续回转，可靠地传递较大扭矩。同带传动、链传动等传动机构相比，它所传递的扭矩范围较大，而且结构紧凑，传动效率高，维修保养也比较方便，具有其它机构不可替代的明显优点[1]。

按万向轴在扭转方向上是否有明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节三种。十字轴式刚性万向具有结构简单、传动效率高的优点，但由于允许相邻两轴的最大交角为15～20°，所以不能传递等角速转动。常见的准等速万向节有双联式和三销轴式两种，它们的工作原理与双十字轴式万向节实现等速传动的原理是一样的。目前轿车上常用的等速万向节为球笼式万向节，也有采用球叉式万向节或自由三枢轴万向节的。

1  传动系统

矫直机被要求有安全、稳定、能适应不断改进需要的传动系统。主传动系统普遍采用电机、减速齿轮分配箱、安全联轴器、万向接轴、矫直辊的传动方式。矫直机矫直钢板时，由于长度方向发生塑性变形，导致钢板与矫直辊速度差可达到3%[2]，因而产生附加扭矩，易导致接轴和齿轮损坏，该厂11辊矫直机传动系统如图1所示，由电机、分配减速机、11根万向接轴组成，传动11个工作辊，万向接轴采用十字轴接轴，其上装有安全打滑联轴器，用于在瞬时扭矩过大时产生滑动从而保护减速箱。

在该传动系统中，矫直机总共11件，分上下兩层安装，层5件，下层6件，上下层单独分布如图2所示。

万向接轴的应力分析与强度校验常用的方法有理论分析法、光弹实验模拟法和有限元分析法三种[3]，本文采用理论分析法进行强度校核。

在该厂生产的权限工况中，屈服强度最大的钢板是X60，厚度20mm，屈服强度？滓s=？叟60kpsi=413.8Mpa，生产时出现最大扭矩TX60=12.91KN·m。

2  中间接轴强度计算

在该矫直机传动系统中，万向轴主要用于传递扭矩和转动至矫直辊，因此符合传动轴扭转强度计算条件，本文根据万向轴所受的扭矩来计算其的强度。

实心轴的扭转强度条件为：

空心轴的扭转强度条件为：

，其中？茁即空心轴的内径d1与外径d之比，通常取？茁=0.5-0.6;

？子T为扭转切应力。

式中  T——轴受的扭矩;

WT——轴的抗扭截面系数;

n——轴的转速;

P——轴传递的功率;

d——计算截面处轴的直径;

[？子T]为许用扭转切应力，查表得？滓s=235MPa，[？子T]取其屈服强度的0.6-0.8倍，安全起见取0.6，即[？子T]=141Mpa。

万向轴中间接轴由两部分组成，较短的一段为实心轴，较长一段为空心轴，分别引用公式1和2计算两部分接轴的扭转强度，如下：

根据现场已知条件，有

T=12.91KN·m，d实=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]

故万向轴中间接轴部分强度合格。

3  十字轴强度校核

本文所研究的万向轴的传动倾角相对较小，可以忽略简化，将十字轴整体的受力情况简化为图3所示，作用于十字轴上的大小相同方向相反的两对力偶处于十字轴轴线平面内[4]。

十字轴的材质42CrMo，查得屈服极限？滓s=930MPa，？滓b=1080MPa， [？滓]=558MPa，H=225mm，R=90mm，S=15mm，d=60mm，d1=0mm，

由TC=KMg

式中  K——工作条件系数，取为1.1～1.3;

Mg——最大力矩，按上文计算为12.91KN·m;

式中 TC——联轴器的计算转矩;

R——十字轴中心到轴径中部的距离;

s——轴径中部至轴肩的距离;

d——轴径直径;

[？滓]——许用弯曲应力;

带入数据 ，求得

所以十字轴强度合格。

4  结论

通过以上计算可以初步确定万向轴实心轴段发生断裂并非万向轴本身的选材选型和尺寸设计缺陷，应该对已断裂的万向轴进行成分检测，来进一步排除加工或热处理的问题。

另外，应该重点关注的连接万向轴与减速箱输出轴的安全打滑离合器的工作状态，据现场观察，在万向轴出现断裂时，该安全打滑离合器并未产生滑动，据此推测是否该离合器设定数值不合理，因此，接下来需要对安全打滑离合器进行测试，在此不做进一步研究。

参考文献：

[1]王慕文，井勇，张昌义，等.万向轴在桥式起重机大车传动机构的应用[J].冶金设备，2002（5）：31-34.

[2]戴周渊.轧钢机万向连接轴的研究和计算[M].冶金工业出版社，1957.

[3]臧勇.滑块式万向轴的强度和结构分析[J].机械设计，2002（12）：25-27.

[4]王革，陈大宏，闫军，等.万向轴叉头强度分析[J].华东冶金学院学报，1995，12（3）：284-289.