張宇軒， 龍劍群

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司， 廣東 湛江 524072）

引言

當(dāng)前，國內(nèi)寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多采用萬向節(jié)設(shè)計(jì)，具有傳動(dòng)效率高、傳遞轉(zhuǎn)矩大、傳動(dòng)平穩(wěn)噪聲低、潤滑條件良好等特點(diǎn)[1]，由于占用空間小、重量輕，可以在一定程度上提高維修效率，降低維修成本。萬向節(jié)結(jié)構(gòu)裝配緊湊、形狀復(fù)雜，強(qiáng)度相對(duì)薄弱，因此其屬于主傳動(dòng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)[2]。實(shí)際生產(chǎn)中，主傳動(dòng)系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在萬向節(jié)部位，經(jīng)常出現(xiàn)叉頭變形及斷裂等問題[3]。戴照寶等[4]、熊杰、成沛祥等學(xué)者均對(duì)大型寬厚板軋機(jī)萬向節(jié)疲勞失效分析進(jìn)行了頗為深入的研究。

在設(shè)計(jì)萬向節(jié)階段，特別是零部件校核中，有時(shí)為了便于理論計(jì)算，通常會(huì)有選擇性地簡化掉一些局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)中如果簡化后模型未考慮到對(duì)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響比較重要局部細(xì)節(jié)，將會(huì)導(dǎo)致本應(yīng)納入設(shè)計(jì)校核的局部細(xì)節(jié)在實(shí)際負(fù)載工作中實(shí)際承受超越機(jī)械性能的情況，這些實(shí)際高于危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，是導(dǎo)致萬向節(jié)零部件失效的重要原因，是降低主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命的重要因素。對(duì)于寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，作為關(guān)鍵部件的萬向節(jié)在生產(chǎn)中一旦損壞失效，將會(huì)引發(fā)較大的生產(chǎn)事故、設(shè)備損壞、機(jī)械傷害，影響生產(chǎn)穩(wěn)定的同時(shí)造成無法挽回的后果及經(jīng)濟(jì)損失。

1 設(shè)備背景

1.1 結(jié)構(gòu)原理

某廠寬厚板4200 軋機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)萬向節(jié)屬于十字萬向軸剖分式聯(lián)軸器，萬向節(jié)叉頭材料選用30Cr2Ni4MoV，該材料長期服役后的試驗(yàn)屈服強(qiáng)度σp0.2≥793 MPa，萬向節(jié)叉頭主要由底座叉頭、軸承壓蓋、聯(lián)結(jié)螺栓組成，萬向節(jié)叉頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 萬向節(jié)叉頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 理論校核

對(duì)萬向節(jié)叉頭的理論校核，采用法蘭叉頭傳遞最大工作扭矩時(shí)，按照彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來校核其強(qiáng)度。按照彎-扭組合強(qiáng)度條件第三強(qiáng)度理論[5]，危險(xiǎn)截面最大等效應(yīng)力：

式中：σ 為彎曲應(yīng)力，MPa；τ 為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa。

彎曲應(yīng)力σ 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ 計(jì)算公式為：

式中：Wn為抗彎截面系數(shù)，mm3；Wd為抗扭截面系數(shù)，mm3；a 為抗彎力矩，N·m；c 為抗扭力矩，N·m；F為萬向節(jié)的受力，N。

文獻(xiàn)[2]中熊杰等學(xué)者經(jīng)過對(duì)萬向節(jié)的失效分析以及承載力矩現(xiàn)場實(shí)測和統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分析，得出萬向節(jié)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在叉頭孔45°方向。萬向節(jié)叉頭危險(xiǎn)截面可簡化為橢圓斷面進(jìn)行計(jì)算，抗彎截面系數(shù)Wn和抗扭截面系數(shù)Wd計(jì)算公式：

式中：b 為橢圓斷面短軸，mm；h 為橢圓斷面長軸，mm。

萬向節(jié)受的力F 計(jì)算公式：

式中：Mmax為最大傳遞扭矩，kN·m；H 為十字軸端部間距，mm；l 為滾針工作長度，mm。

將（2）—（4）式代入（1）式得：

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，寬厚板軋機(jī)最大軋制力即最大傳遞扭矩Mmax=8 000 kN·m，十字軸端部間距H=970 mm，滾針工作長度l=192.5 mm，橢圓斷面長軸h=780 mm，橢圓斷面短軸b=330 mm，抗彎力矩a=0.210 N·m，抗扭力矩c=0.275 N·m，將以上參數(shù)代入（5）式計(jì)算危險(xiǎn)截面最大等效應(yīng)力σe≈295 MPa。

2 問題分析

2.1 主要問題

經(jīng)設(shè)計(jì)校核，萬向節(jié)叉頭危險(xiǎn)截面最大等效應(yīng)力σe＜σp0.2，按照理論校核結(jié)果，萬向節(jié)原本應(yīng)能夠滿足正常工況條件下的使用。但是，某機(jī)組萬向節(jié)在上機(jī)使用一段時(shí)間后，同一萬向叉節(jié)相同部位多處裂紋，主要表現(xiàn)為萬向節(jié)叉頭本體裂紋位置距離端面齒中心線向下約200 mm，裂紋肉眼清晰可見，如圖2 所示。

以上情況說明原設(shè)計(jì)理論校核的危險(xiǎn)截面并非實(shí)際危險(xiǎn)截面，從裂紋所在位置看，萬向節(jié)叉頭的實(shí)際危險(xiǎn)部位即薄弱點(diǎn)近似位于萬向節(jié)叉頭螺紋孔所在部位，需要進(jìn)一步分析萬向節(jié)開裂原因，找到裂紋源。

2.2 原因分析

使用線切割技術(shù)對(duì)萬向節(jié)叉頭螺紋孔裂紋位置分別進(jìn)行縱向和橫向剖切，如圖2 所示。

由圖2-1 中螺紋孔縱向剖面的形貌清晰可見，裂紋沿外側(cè)螺栓螺紋副聯(lián)結(jié)底部貫穿內(nèi)側(cè)螺栓螺紋孔底部，并延伸至叉頭本體中；由圖2-2 中螺紋孔橫向剖面的形貌清晰可見，裂紋源起蒙于于外側(cè)螺栓螺紋孔底部附近，并逐漸向兩個(gè)內(nèi)側(cè)螺栓螺紋孔延伸。疲勞源出現(xiàn)在外側(cè)最深的螺紋孔，距孔底部約35 mm 的部位。這表明了螺紋孔較深且與叉頭負(fù)載大應(yīng)力區(qū)重合，叉頭螺紋副底部應(yīng)力幅值大，在交變載荷作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖2 萬向節(jié)叉頭螺紋孔剖面裂紋形貌

3 優(yōu)化

鑒于進(jìn)口萬向節(jié)，在材料及熱處理工藝上都優(yōu)于國內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)有國產(chǎn)工藝，考慮從結(jié)構(gòu)優(yōu)化及加工制造兩個(gè)方面對(duì)萬向節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）減小叉頭內(nèi)螺紋深度，螺紋孔遠(yuǎn)離叉頭大應(yīng)力區(qū)，避免應(yīng)力疊加現(xiàn)象。通過減小叉頭螺紋孔深度。壓蓋總高290 mm 改為280 mm，寬度740 mm 改為730 mm，厚度260 mm 改為250 mm，把合臺(tái)階厚度由115 mm、150 mm 優(yōu)化為200 mm。

2）優(yōu)化端面齒結(jié)構(gòu)，提高端面齒的定位效果。軸承壓蓋與叉頭的端面齒改為20°角梯型齒，齒距改為6.5，做成細(xì)齒。

3）適當(dāng)減小螺栓規(guī)格，加強(qiáng)叉頭強(qiáng)度?？蓪荷w螺栓由3-M60×3 長320 mm 優(yōu)化為1-M56×4 長300 mm、2-M48×3 長290 mm。

4）改善螺紋副兩端齒的載荷，降低兩端螺紋應(yīng)力集中。加長螺紋兩端過渡區(qū)長度、螺栓端部鉆孔，螺紋兩端導(dǎo)角過渡區(qū)加長，螺栓端部增加空心段，降低螺紋集中應(yīng)力。

5）增加萬向節(jié)叉頭薄弱處壁厚，避免壁厚太薄對(duì)螺紋應(yīng)力影響。主要通過調(diào)整螺栓孔位置，螺栓孔定位由距離外圓19 mm 改為29 mm，調(diào)整螺栓孔位置，使其盡量遠(yuǎn)離外徑和內(nèi)腔，軸承孔直徑按Φ390/432 mm 不變。叉頭螺紋孔深度由235 mm、200 mm 優(yōu)化為116 mm，同時(shí)對(duì)型腔結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加扳手空間。

6）防止軸承外圈在叉頭孔中相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生磨損，通過在叉頭、軸承壓蓋與軸承外圈之間增加定位鍵實(shí)現(xiàn)。

7）降低螺栓預(yù)緊力對(duì)螺紋副受力影響，通過對(duì)螺紋部位涂膠填充螺紋間隙，消除螺紋偏載，螺栓頭部采用機(jī)械防松。

3.2 加工優(yōu)化

1）優(yōu)化螺紋孔加工。通過采用精銑螺紋底孔、旋風(fēng)銑加工螺紋后絲錐二次攻絲。

2）優(yōu)化叉頭型腔加工。通過數(shù)控型腔銑削后，鉗工打磨拋光，去除刀紋后熱處理。

3）優(yōu)化軸承孔把合加工預(yù)緊。對(duì)螺栓把合前涂抹防研劑，按裝配預(yù)緊力矩預(yù)緊，再精加工軸承孔。

4）螺孔粗加工后，還應(yīng)增加消除內(nèi)應(yīng)力處理，以減小螺孔部位的加工殘余應(yīng)力。

5）螺栓裝配時(shí)螺紋副涂膠、螺栓對(duì)稱循環(huán)預(yù)緊、預(yù)緊力矩?cái)?shù)值等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，要對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施裝配并記錄好過程數(shù)據(jù)。

6）裝配完成后增加危險(xiǎn)截面MT 探傷。

4 結(jié)論

1）零部件設(shè)計(jì)過程由于因?yàn)楹喕?jì)算模型而忽略零部件局部重要結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，將導(dǎo)致零部件在實(shí)際生產(chǎn)中壽命降低、提早失效。

2）通過使用線切割技術(shù)有助于分析判斷萬向節(jié)叉頭裂紋的形成機(jī)理，螺紋副底部應(yīng)力幅值大并在交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋。

3）經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表現(xiàn)出來的零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱問題，可以追溯到零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改善，提供了針對(duì)該問題的相應(yīng)優(yōu)化對(duì)策，對(duì)于同類產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工制造上提供一定參考意義。