劉修超，武占剛

（山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073）

0 引言

萬向節(jié)也稱為傳動軸，一般按照萬向節(jié)在扭轉方向上是否有明顯的彈性，將萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)又可分為不等速萬向節(jié)、準等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)，目前推土機使用的大多數為準等速萬向節(jié)。比較常見的等速萬向節(jié)為雙聯式萬向節(jié)，允許相鄰兩軸的最大交角為15～20°，推土機萬向節(jié)的雙聯叉相當于傳動軸及兩端處在同一平面上的萬向節(jié)叉，當輸出軸與輸入軸的交角較小時，能使兩軸角速度接近相等。但由于發(fā)動機的啟動或者轉速突然加大時，萬向節(jié)會受到瞬間的大扭矩。對其結構進行受力分析，得出萬向節(jié)的應力及變形分布狀況，以此為依據改進萬向節(jié)的焊縫結構。

1 萬向節(jié)焊縫開裂故障

萬向節(jié)兩端為鍛造的連接叉，中間用一根鋼管套住兩端連接叉，連接叉與鋼管連接處為焊縫，萬向節(jié)結構及開裂位置如圖1所示。

圖1 萬向節(jié)結構及開裂位置示意

根據某品牌的一臺推土機在早期磨合階段出現的故障情況進行分析，該推土機萬向節(jié)斷裂時，整機作業(yè)時間共228 h，萬向節(jié)實物斷裂部位如圖2所示。從照片可清楚地看出裂紋的位置為一側焊縫處，產生裂紋前未發(fā)生塑性變形，說明萬向節(jié)的宏觀缺陷是裂紋源。從裂紋靠近焊縫初步推斷，裂紋源應為焊接缺陷。

圖2 萬向節(jié)開裂實物

2 萬向節(jié)受力分析

2.1 萬向節(jié)結構

萬向節(jié)是傳遞動力與輸出扭矩的重要部件，結構如圖3所示，其中連接叉為鍛造件，鋼管材料為45#鋼，截面形狀為圓形，為提高其承載能力，鋼管壁厚4 mm，外徑89 mm，鋼管兩端分別套在連接叉上，連接處為焊接加工。

圖3 萬向節(jié)結構

2.2 萬向節(jié)應力分析

根據萬向節(jié)三維模型，設立有限元三維分析模型。按照萬向節(jié)載荷分析情況和靜力平衡條件建立結構的有限元分析方程式。受力分析結果如圖4所示。應力分布圖顯示萬向節(jié)最大應力不在開裂部位，說明此萬向節(jié)不是設計強度不足，而是可能存在制造缺陷，尤其是焊縫部位可能存在焊接缺陷。

圖4 萬向節(jié)應力分布

3 廠家調研

經生產廠家現場檢查，萬向節(jié)鋼管的規(guī)格是89 mm（外徑）×4 mm（壁厚）的20#鋼，管壁薄，兩焊縫距離19 mm，在工藝上實現這種焊接難度很大（圖5）。焊縫處溫度1000℃，當一焊縫焊接完畢后無法焊接第二個焊縫，并且焊縫周圍都是熱影響區(qū)，結構強度遠遠不夠，原材料采用國內大鋼焊縫易形成虛焊，即未焊透。對1件在制品進行探傷，探傷報告表明萬向節(jié)焊縫存在虛焊缺陷。

圖5 廠家焊接成型的萬向節(jié)

4 萬向節(jié)開裂原因判定

通過有限元受力分析及現場調研，可以判定萬向節(jié)開裂原因：①生產廠家采取的焊接工藝方法不合理，形成未焊透結果；②鋼管規(guī)格及材質問題。

5 分析及改善

進一步分析開裂焊縫結構，對廠家采取的兩道焊接工序及所用鋼管規(guī)格分析后進行優(yōu)化改進，在原來基礎上取消鋼管，加長兩端的連接叉保證萬向節(jié)使用的安裝尺寸后，將兩連接叉焊接在一起，由原來的兩道焊縫優(yōu)化成一道焊縫，在連接叉拼接焊結合面處打坡口。圖6為改進后加工成型的萬向節(jié)，圖7為改進后的焊縫坡口。

圖6 改善后的萬向節(jié)

圖7 焊接坡口形式

改進后的焊縫坡口焊接時可以很方便的送到焊縫根部，根部在電弧的作用下熔化，不再產生虛焊現象，減少焊接缺陷的產生。對改進后的焊縫進行探傷（圖8），探傷數據結果（表1）顯示焊縫探傷合格。

圖8 焊縫探傷區(qū)域

表1 探傷報告

6 結語

通過對萬向節(jié)的受力和焊縫的討論分析及現場調研，找出萬向節(jié)開裂的原因，根據分析結果進行改進，取得了預期的效果。