对十字轴式万向联轴器强度分析及改进设计的探讨

对十字轴式万向联轴器强度分析及改进设计的探讨

何新生

关键词：十字轴式万向联轴器强度改进

0引言

万向联轴器是轧机主传动中的关键部件，用于传递轧制扭矩。由于受空间的限制，要求万向联轴器的尺寸要小，一般万向轴的直径要比轧辊直径小5-15mm，或为轧辊名义直径的85%-95%，这使得万向轴往往成为主传动装置中强度较小的部件。十字轴式万向联轴器具有传动效率高、传递扭矩大、传动平稳、润滑条件好、噪音低、使用寿命长、允许倾角大和使用于高速运转等优点，近年来越来越多地应用于轧机主传动系统中。十字轴式万向轴在实际生产中经常出现的事故有十字轴的折断、轴承座的连接螺栓松动或拉断、叉架的变形及断裂等，这些事故的发生均与万向轴的结构设计及制造工艺有非常大的关系。目前，我厂粗轧万向轴的此类断裂事故较为频繁，对生产影响较大。本文以我厂粗轧机万向轴的使用及改进等问题进行探讨。

1万向轴的受力分析

1.1十字轴的受力分析在十字轴的每个轴头上，轴承座给十字轴的压力由滚针轴承承担，假设该力在沿轴向滚子有效接触长度上均匀分布，则在十字轴断面内，只有受力的半圈轴承滚动体承受载荷，而这半圈内各滚动体承受载荷的大小是不同的，中间的滚动体受力最大，其他的沿两侧逐渐减小，处在最两侧的滚动体受力为零（轴承座内孔的加工精度对此也影响较大）。而十字轴的受力大小则是半圈滚动体所受力的合力。

由此，十字轴的受力可简化为大小相同、方向相反的两对力偶。这两对力偶处于主传动与被传动轴所决定的平面内，如不计两轴的倾角，则构成两力偶的力均在十字轴轴线平面内。通过在强大的实体设计及分析软件SOLIDWORKS中建立十字轴的实体模型，将实际中十字轴受到的力与力矩作用于十字轴4个轴头受力的半圆柱面上，则可显示整个十字轴的应力值分布、各部位受力后的位移以及及强度安全系数等。分析表明，十字轴头的截面积剪切应力与扭矩完全满足要求，但是轴头根部两过渡圆角的应力值是受力中的最大值（如图，R1、R2），应力梯度非常大，尤其是圆角较小的R1处更是如此，应力集中较为明显，在交变载荷下极易产生疲劳，是裂纹和断裂产生的根源。

1.2法兰叉架及轴承座的受力分析法兰叉架轴承座可看作是悬臂梁结构，轴承座根部一侧受拉应力，另一侧受压应力，其叉架根部不仅受到大小为F的力作用，还受到力矩为F×H的作用。在此力与力矩的交变作用下，叉架轴承座与法兰连接的根部便是疲劳产生与断裂的根源。由此，轴承座的中心高度H和轴承座根部过渡圆弧大小的结构设计对法兰叉架的强度影响很大。

轴承座内孔圆周表面一侧承受压应力，一侧则不受力。轴承座受的力通过连接轴承座的螺栓，使得螺栓承受拉应力，因此，螺栓的预紧力就显得尤为重要。螺栓的预紧力使得上轴承座与下轴承座接触面内产生接触压力，随着预紧力的增大，接触压力也上升。这种预紧力的变化随传递扭矩的增大而增大。如果预紧力较小，而传递扭矩过大，则受力侧的上下轴承座间压力可能下降为零，这时上下轴承座间将出现间隙，而扭矩减小时，间隙会消失，从而产生冲击，而此时为保证传动，与其对称的另一轴承座将会受到很大的力而率先导致疲劳断裂，这对十字轴的使用寿命是极为不利的。另一方面，如果螺栓的预紧量太大，螺栓的拉应力也随着增大，螺栓极易被拉断。所以螺栓的预紧量应根据不同的扭矩确定合适的一个范围，保证上下轴承座的完全接触状态。

2改进方法

2.1经过仔细核算，十字轴的轴径均能满足轧制扭矩，从现场断裂的十字轴分析来看，裂纹根源与断裂处均从轴根部的过渡圆角处发生，说明此处的应力较为集中，应力分布梯度很大，这与通过实体模型分析软件（SOLIDWORKS）的结果一致。我们通过略微增大轴径以减小R1，增大R2处过渡圆角的半径，并且保持适当的比例，使得轴根部的集中应力值降低，十字轴的应力分布较为均衡。

2.2首先，在法兰叉架尺寸无法改变的情况下，叉架轴承座的的受力F不变，轴承座的中心高度在满足安装尺寸及运转倾角的前提下降低，这样就会使叉架轴承座承受的弯矩减小。其次，适当增加法兰的厚度，并在轴承座根部设计圆弧筋板，使得应力集中的部分应力平滑过渡，加强法兰叉架薄弱环节的承载强度。

2.3对轴承座螺栓在安装时进行适当的预紧，并采取防松措施。

2.4将剖分式轴承座改为整体式轴承座，避免因螺栓断裂或松动造成的十字轴损坏。

3结论

经过以上优化设计及改进，万向轴在没有改变安装连接尺寸的情况下，公称扭矩与疲劳扭矩均提高了30%以上，我厂的粗轧万向轴使用寿命已由原来的3-4个月增加到10-12个月以上，不仅大幅度提高了生产作业率，也大大降低了生产成本与工人劳动强度，取得了很好的经济效益，对其他厂也具有很好的借鉴价值。