万向接轴常规设计中的易损点及优化举措研究

金 洋，朱泽华

（马钢股份公司长材事业部 安徽马鞍山 243000）

1 概述

万向接轴通过利用两轴线夹角来实现两轴运动状态的衔接，并且稳定、可靠的进行转矩与运动工况的传递对接。 万向接轴之所以能够在各类工业机械设备中得到广泛应用，关键在于其能够有效应对“两轴设备不在同一轴线”的情况。 万向接轴相较于其他链接部件而言，其优点在于具备强大的角向补偿能力，且部件自身具有紧密、紧凑的内部结构，使得其同时含有极高的传动效率水平。

近年来，根据万向节轴两轴线夹角情况、使用环境、面向对象等客观因素的不同，万向接轴在深入推广过程中产出了各类不同的结构模式。 如主流的十字轴式、三叉杆式、滑块式、球笼式等等，同时其结合具体的工艺需求，还出现了特殊的球销式、球铰式、铰杆式等。 其中最为常见的是十字轴式和伸缩式。

2 万向接轴的常见损伤情况

2.1 万向接轴扭曲形变

目前，万向接轴扭曲形变情况在实际使用过程中常见并且多发。 而导致其弯曲形变的主要原因有两类：一是常规的电动机轴与滚动轴承损坏导致；二是各电动机轴出现弯折形变，使得各轴轴线的水平对应位置出现变动，导致两条轴线之间原本的平面、竖直关系被改变。 以十字万向接轴为例，当其处于这种情况时，其与链接设备轴承的间距空隙会进一步加大，导致设备摇晃或振动，并会在传动轴工作过程中出现摩擦、碰撞情况，最终在往复运动中就会使得十字万向接轴过度磨损，出现扭曲形变。

图1 SWC（DH）型伸缩式万向接轴

图2 小型十字万向接轴

根据十字万向接轴的使用标准和近年来大量的实践案例来看，其磨损情况应当控制在0.02－0.13mm内。 若产品设别具备高精度工况需求，则需要将其磨损度控制在0.01 mm 左右。 如果十字万向接轴磨损水平＞0.13 mm，则极易导致转动轴振动和摩擦发响。

另外在具体的应用过程中，极有可能出现因机械设备安装水平度低，从而导致扭矩传送水平状态缺失的情况；或因长时间的单向固定扭矩传送，从而导致万向接轴受力方位长期固定，出现了十字万向接轴部件单侧损坏的情况。

2.2 万向接轴支撑螺丝松动

万向接轴的螺丝松动问题与其平衡状态缺失有关，也与机械设备安装水平度、固定强度等外部因素有关。 如果万向接轴的不平衡量超过了限定额度，则其在运转中极易出现抖动情况。 最终在长期的抖动运转情况下，其支撑螺丝和钩钉螺丝就会出现松动。

另一方面，万向接轴出现螺丝松动的问题，还与其连接件是否符合配对需求条件有直接关系。如凸缘上的止口直径不符合要求、凸缘螺栓孔的内径过大、使用了不合格的螺栓、轴管弯曲变形有凹陷、两端的万向节十字轴中心线不在同一平面上导致不能匀速地旋转等等。 如果使用了上述不符合规格要求的相关配件，则会导致万向接轴与链接部件轴承的空隙变大。 此时当发动机的转速发生变化，螺栓受剪切力在孔中产生摆动和跳动，最终导致螺丝松动。

2.3 万向接轴自身裂纹、断裂

万向接轴出现裂纹、断裂情况，常见于复杂工况或高强度工作环境之中。 主要原因则是由于万向接轴应力环境改变，从而使得万向接轴所承载冲击力度超出部件自身应对水平，最终导致万向接轴材料损伤出现裂纹、断裂情况。 以型钢生产线轧机万向接轴断裂情况为例。 型钢生产线轧机万向接轴辊端在应用过程中如果出现了不规范操作或者连续疲劳操作，则会导致万向接轴辊端交变应力的改变，对万向接轴带来强大的冲击，最终导致万向接轴裂纹甚至断裂情况的出现。

同时在进行型钢钢材轧制过程中，在万向接轴的辊端处，其扁头一侧的虎口位置，一旦在轧制的过程中出现了较大的交变应力， 就会出现明显的裂纹。 在生产过程中，该裂纹会在受到严重的瞬时冲击时扩展延伸最终发生断裂，进而严重影响了型钢轧机的运转。

图3 SWC－BH 型万向接轴裂纹图片

2.4 万向接轴平衡荷载水平改变

万向接轴平衡荷载水平改变问题，一般常见于工作环境复杂、工作时间久的生产工艺之中。 这一问题的出现与前文所提及的形变、裂纹、螺丝松动等情况都有着相互关系。 以主流的十字万向接轴为例，由于十字万向接轴在设计过程中并没有规划轴向窜动和弯曲工艺，而是出于理想工况考虑认为十字万向接轴的两轴是处于“轴线完全同轴”的状态的，因此极易出现平衡荷载水平变动的问题。

十字万向接轴的安装都是在系统冷却状态下完成的。 而当设备启动且已经运转了一段时间后，十字万向接轴及相应辅助部件都会出现升温热膨胀情况。 因此从严格意义来看，只有准确研判了系统的热膨胀量后才能够进行十字万向接轴的找正对中，但是在现实环境当中，由于管理制度和操作流程的不规范，很多十字万向接轴都未能严格考虑和关注到设备热膨胀量问题的。 在热膨胀量影响之下，十字万向接轴的预定工况环境会出现变动，而此时万向接轴的扭矩传递状态和渠道主要有三种：螺栓传递、结合面摩擦力传递或者两种传递方式同时开展。 其中十字万向接轴就是采用了“两种皆有”的扭矩传递方式。 预定情况下十字万向接轴每个螺栓的扭矩传递量应当是均匀的、固定的，但是由于热膨胀量的干扰而使得各螺栓扭矩大小水平出现变动，从而产生新的附加不平衡质量，导致十字万向接轴的轴线对中情况和平衡荷载水平被打破，直接干扰到链接设备的稳定运转，最终给产品质量带来负面影响。

3 针对性的优化举措

3.1 严格落实万向接轴选用和安装程序

万向接轴的选用和安装过程，直接决定了万向接轴是否能够适配机械设备需求，是否能够满足预定的工况环境。 因此要想尽可能规避万向接轴在使用过程中出现的各类损伤情况，首先就需要做好万向接轴的选用和安装工作。 具体的操作要点主要包括以下几个方面：

3.1.1 传动装置与传动比

原动机与万向接轴之间是否搭载相关的传动装置，如果搭载传动装置，则需设定具体的传动比方案。 其中包括传动装置最后的输出轴数量、功率分流情况、原动机的具体类型以及转速等等。

3.1.2 万向接轴负荷类别

原动机已经确定情况之下就要考虑到，原动机与万向接轴的传动负荷类别选定，目前主流的负荷类别包括单向恒定负荷、脉动负荷或双向交变负荷等。 万向接轴的安装角度设计，倾斜、垂直还是水平等。

3.1.3 万向接轴动平衡

要确定好原动机和万向接轴的具体工况环境。根据具体的工作环境，如在高温、粉尘、化学腐蚀等恶劣环境之中工作，就需要选配合适的万向接轴类别。 同时万向接轴是否需要进行动平衡操作、动平衡的具体等级，同样需要根据具体的原动机类别和工况环境来确定。

3.1.4 万向接轴安装补偿

考虑到万向接轴的安装位置是否有限制、具体安装长度是多少、是否需要伸缩等。 如要求伸缩，万向接轴最短状态下向外的伸长量是多少。 对于不需要伸缩的万向接轴必须考虑轴向尺寸误差的补偿，确定在系统中进行补偿的位置。 通过对以上先决条件的了解，逐步确定万向接轴的规格，最后确定选择哪一种结构形式。

需要指出的是，目前工业机械设备使用的万向接轴大多数设计都已经完成了标准化、规格化。 因此方案设计者的主要职责是根据具体工况环境、设备类别来选用合适的万向接轴即可。 而在具体的选用过程中，则应当关注到转矩大小和性质、缓冲减振功能、平衡精度、水平要求等具体客观要素。

3.2 结合实际工况进行万向接轴调试

万向接轴调试工作实质上是一种后续补偿工作，是为了有效缓解因初期设计规划不到位而导致万向接轴作用效能无法有效发挥的问题。 目前各行业机械设备的万向接轴调试方案和关注要点有明显差异，因此笔者以角槽工字钢型钢产线轧机的万向接轴调试为例展开讨论。

1） 角槽工字钢型钢产线轧机设备万向接轴故障发生的关键原因在于钢材轧制产线工作环境较为恶劣，高温和细微粉尘会对万向接轴产生缓慢的侵蚀作用，且现阶段常见的产线链接与封闭模式多为半封闭式，很难实现对细微粉尘进入设备链接环节情况的有效遏制，且在高温环境下，细微粉尘侵蚀作用将被进一步放大。 因此在万向接轴调试过程中必须要结合具体工况，对万向接轴处进行适应性密封处理，或是采用静电吸附、除尘袋等方式对细微粉尘侵蚀情况进行舒缓。

2）轧钢设备控制与制动模块在运转过程中，会根据钢材工艺要求进行调整。 如果系统模块同步不到位、响应不及时，则会极易出现模块协作不同步情况，此时万向接轴容易产生制动扭矩，使其承受较大的冲击载荷，容易断裂。 通过应用可调节制动力矩，使设备控制与制动模块同步响应，避免单个万向接轴承受过大的扭矩。

3）制造万向接轴时，选材标准低、热处理工艺不当、叉头铸造存在缺陷、焊接质量差等问题都会导致其在后续实际使用过程中出现薄弱环节。 选择性价比高的万向接轴，从材料、设计和工艺上保证质量，从源头上减少因质量问题造成的设备故障。

4）万向接轴如果所选型号不能满足使用要求，很容易出现裂纹甚至断裂。 此时，可以检查万向接轴的扭矩，确认其扭矩是否符合使用要求，确保所选万向接轴能够达到或超过实际扭矩。

5）万向接轴断裂开裂的原因不仅受扭矩影响，还与产品质量、安装、承重、工作环境等因素有关。

3.3 做好万向接轴辅助配件的检查维护

万向接轴作为各工业机械设备彼此链接的中间构件，主要承担了原动机动能的传递和转运工作，因此万向轴在使用过程中必然涉及到辅助零部件的工作配合问题。 而通过对辅助零部件的日常维护和检查，确保工作环境的稳定和科学，是发挥好万向接轴作用效能的一项重要优化举措。

3.3.1 轴管

检查万向接轴的轴管是否有凹凸。 如果轴管有明显凹陷，使万向节轴失去平衡，则应在车床上切断花键轴和万向接轴，将比轴管中内径薄的芯轴插入轴管中，并用锤击修复凹陷，然后将切割的花键轴和万向接轴焊接到位。 为了保证修复质量，焊接时应将轴管放在专用支架上，先在圆周对称位置点焊数点，然后校正挠度，校正后沿圆周焊接。 焊完冷却后再复查一次。 如果摆动差太大，应该再次重新焊接。 如果万向接轴存在大凹陷损坏情况，则需要整体更换传动轴。

3.3.2 法兰螺栓

法兰螺栓是万向接轴的关键辅助配件，对于万向接轴的工作稳定以及运转状态有着直接作用关系。 因此在对辅助配件的日常维护过程中，必须要对万向接轴的法兰螺栓松紧程度进行检查，并根据具体情况进行调整，避免因为法兰螺栓松动而导致万向接轴出现安全隐患。

3.3.3 传动轴总成

传动轴总成是万向接轴扭矩传递功能得以有效发挥的关键，因此在其维护检查周期到期时应当对传动轴总成进行动平衡测试，如果总成动平衡状态较差，则需要采取相应的动平衡补偿措施，来确保万向接轴运转的稳定。

4 结论

万向接轴作为现代机械设备的关键零部件，在冶金、汽车等领域当中得到了广泛使用。 本文针对近年来万向接轴在使用过程中出现的易损情况和具体原因，进行了系统性梳理与总结，罗列了包括扭曲形变、螺丝松动、裂纹断裂等情况在内的各种万向接轴损伤要点，并针对上述损伤要点情况提出了具备实操意义的优化举措，以期能够进一步提升万向接轴的工作效能与稳定性。