矯直機(jī)工作輥漸開線花鍵軸頭設(shè)計(jì)分析

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

寬厚板矯直機(jī)工作輥具有運(yùn)行速度高、承受矯直力大、傳遞扭矩大的特點(diǎn)，其軸頭傳動(dòng)連接不但要求平穩(wěn)可靠，而且與萬向接軸的定位要準(zhǔn)確，整體換輥時(shí)具有自動(dòng)定心作用。當(dāng)工作輥延軸向移動(dòng)時(shí)，軸頭與萬向接軸脫開、連接，操作簡單迅速。通過設(shè)備配有的換輥機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輥系在線整體快速更換的功能，提高設(shè)備的工作效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

工作輥軸頭部分用于連接萬向接軸進(jìn)行傳動(dòng)，在輥?zhàn)痈髋_(tái)階中直徑尺寸最小，承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大。軸頭的連接形式、參數(shù)選擇、承載能力、強(qiáng)度校核是工作輥設(shè)計(jì)中的重要工作。

1 工作輥性能參數(shù)

以一臺(tái)4 300 mm 寬厚板11 輥矯直機(jī)工作輥進(jìn)行說明。

1.1 工作輥參數(shù)

矯直鋼板溫度/℃:常溫～160

總矯直力/kN:30 000

單輥?zhàn)畲蟪C直力/kN:8 270

單輥?zhàn)畲笈ぞ?N·m:20 000

矯直速度/m·min－1:0～30～60

因設(shè)備矯直速度快、矯直力大、傳遞扭矩大，故要求工作輥材料綜合力學(xué)性能好，輥面硬度高，加工制造尺寸精密。

1.2 工作輥力學(xué)性能:

規(guī)格:(?220+0.05×4 300)mm，Ra0.4 μm

材料:冷軋工作輥用鋼9Cr2MoV

調(diào)質(zhì)熱處理286～321HBW

按JB/T 5000.15Ⅲ級(jí)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)

力學(xué)性能:屈服強(qiáng)度Re/MPa:≥750

抗拉強(qiáng)度Rm/MPa:=980～1 050

延伸率A(%):≥14

沖擊功Ak/J:≥30

2 工作輥軸頭技術(shù)要求

工作輥軸頭傳動(dòng)連接應(yīng)滿足以下技術(shù)要求:

(1)承受大扭矩，適用于頻繁正反轉(zhuǎn)。工作輥軸頭在輥?zhàn)痈髋_(tái)階中直徑尺寸最小，軸頭承受最大扭矩達(dá)20 000 N·m。在壓下量和矯直速度給定的情況下，由于被矯板材的不規(guī)則變形、局部屈服強(qiáng)度增大等原因，矯直過程中承受瞬間較大扭矩的情況頻繁發(fā)生。因此工作輥軸頭傳動(dòng)連接應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和承載能力。

矯直高強(qiáng)鋼板時(shí)需經(jīng)多道次往復(fù)矯直，為了滿足生產(chǎn)節(jié)奏的要求，工作輥軸頭連接應(yīng)適于這種頻繁正反轉(zhuǎn)、往復(fù)矯直的要求。

(2)傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，使用壽命長。設(shè)備的矯直速度可達(dá)(0～30～60)m/min，軸頭應(yīng)連接可靠，使工作輥運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，保證矯直板材質(zhì)量。因軸頭受損后很難修復(fù)，從而導(dǎo)致整個(gè)工作輥報(bào)廢，其設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)不低于輥身壽命。

(3)脫開、連接操作簡單迅速，具有自動(dòng)定心功能。為提高設(shè)備的工作效率減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，寬厚板矯直機(jī)配有換輥機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)輥系在線整體快速更換功能。在整體換輥操作時(shí)，11 根工作輥延軸向移動(dòng)，要求軸頭同時(shí)與萬向接軸脫開、連接操作簡單迅速，對(duì)換輥過程中產(chǎn)生的連接位置誤差，能通過自動(dòng)定心調(diào)整到位。

(4)具有互換性。工作輥數(shù)量較多，各輥獨(dú)立傳動(dòng)，軸頭與萬向接軸的連接必須具有完全互換性，實(shí)現(xiàn)備件管理、操作維護(hù)簡單高效。

(5)加工工藝性好。工作輥屬于細(xì)長軸類零件，其長徑比達(dá)19 以上。軸頭的加工不僅應(yīng)便于機(jī)床裝卡，而且要與輥身具有相同的加工基準(zhǔn)，以保證軸頭與輥身同心度的要求，提高傳動(dòng)精度，延長使用壽命。

(6)拆裝維護(hù)方便。工作輥、萬向接軸花鍵套屬易損件，工作輥軸頭連接方式不應(yīng)特殊，要便于快速更換。這樣不但減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備的維護(hù)使用成本，而且易于備件采購，縮短訂貨周期。

3 工作輥漸開線花鍵軸頭的技術(shù)特點(diǎn)

工作輥的軸頭形式通常分為雙鍵槽軸頭、扁頭軸頭、漸開線花鍵軸頭，3 種軸頭的性能對(duì)比見表1。

漸開線花鍵軸頭的齒廓為漸開線，花鍵齒較短，齒根較寬，不發(fā)生根切的最少齒數(shù)也較小。漸開線花鍵可以用制造齒輪的方法來加工，工藝性較好，制造精度也較高?；ㄦI齒的根部強(qiáng)度高，應(yīng)力集中小，易于定心，采用漸開線花鍵聯(lián)接更能滿足工作輥軸頭的技術(shù)要求。

表1 3 種軸頭的性能對(duì)比Table 1 Property contrast among three types of shaft head configurations

4 工作輥漸開線花鍵軸頭的結(jié)構(gòu)與受力分析

4.1 配有漸開線花鍵軸頭的工作輥

配有漸開線花鍵軸頭的工作輥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

在整體換輥時(shí)，為進(jìn)一步滿足11 根工作輥延軸向移動(dòng)時(shí)，外花鍵軸頭與十一根萬向接軸內(nèi)花鍵套連接、脫開簡單快速的要求，還需在工作輥外花鍵軸頭與萬向接軸內(nèi)花鍵軸套的花鍵齒端處，按圖2 所示進(jìn)行倒角，形成有效的導(dǎo)入條件，避免干涉卡滯。

4.2 工作輥軸頭漸開線花鍵副的受力分析

為消除與工作輥連接的萬向接軸所產(chǎn)生的壓軸力影響，在工作輥外花鍵端設(shè)計(jì)?80f7 的出軸(見圖1 所示)，故此花鍵副按受純轉(zhuǎn)矩載荷考慮。對(duì)無誤差的花鍵連接，其只傳遞轉(zhuǎn)矩T 而無壓軸力F 時(shí)，一側(cè)的各齒面在轉(zhuǎn)矩T 的作用下，彼此接觸、側(cè)隙相等，內(nèi)、外花鍵的兩軸線仍是同軸的，如圖3 所示。所有鍵齒傳遞轉(zhuǎn)矩，承受同樣大小的載荷，如圖4 所示。

在實(shí)際的使用中，工作輥軸頭花鍵的主要失效形式為花鍵軸整體折斷和花鍵齒面壓潰，所以花鍵軸頭需經(jīng)承載能力計(jì)算。

條件艱苦，但對(duì)于我這個(gè)離家出走的人，已經(jīng)是天堂了。我來找他，先是想找個(gè)地落腳，然后借點(diǎn)學(xué)費(fèi)?，F(xiàn)在見他這個(gè)樣子，我張不開嘴。

圖2 外花鍵軸頭與內(nèi)花鍵軸套的倒角Figure 2 Chamfer of outside spline shaft head and inside spline shaft sleeve

圖3 內(nèi)、外花鍵接觸狀態(tài)Figure 3 Contact status of inside spline and outside spline

5 工作輥軸頭漸開線花鍵尺寸參數(shù)確定

依據(jù)矯直輥軸頭尺寸、連接精度、技術(shù)要求確定漸開線花鍵副尺寸參數(shù):

INT/EXT 25Z×5m×30P×6H/6f GB/T3478.1—1995

齒數(shù)Z=25，模數(shù)m=5，壓力角α=30°，平齒根，公差等級(jí)為6 級(jí)，齒側(cè)配合H/f，分度圓直徑D=125 mm，齒根圓角半徑ρ=0.75 mm，漸開線起始圓直徑DFe=119.45 mm，外花鍵大徑的基本尺寸Dee=130 mm，內(nèi)花鍵小徑的基本尺寸Dii=120.45 mm，外花鍵小徑的基本尺寸Die=117.5 mm，工作齒高h(yuǎn)w=(Dee－Dii)/2=4.78 mm，全齒高h(yuǎn)=(Dee－Die)/2=6.25 mm，基本齒厚S=7.854。

工作輥材料的屈服強(qiáng)度Re≥750 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=(980～1 050)MPa，計(jì)算轉(zhuǎn)矩T=20 000 N·m，矯直速度V=(0～30～60)m/min，輸入端為電機(jī)(平穩(wěn))，矯直輥受中等沖擊，花鍵副結(jié)合長度L=110 mm。

5.1 載荷計(jì)算

名義切向力Ft=2 000T/D=320 000 N

單位載荷W=Ft/ZLcosα=134.4 N/mm

5.2 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算

圖4 鍵齒載荷分布Figure 4 Spindle teeth loading distribution

齒面壓應(yīng)力σH=W/hw=28.1 MPa

式中 SH——安全系數(shù)1.1～1.5，取1.3;

K1——使用系數(shù)，電機(jī)傳動(dòng)(平穩(wěn))、矯直輥受中等沖擊，查表取1.25;

K2——齒側(cè)間隙系數(shù)，當(dāng)壓軸力較小、花鍵副精度較高時(shí)為1.1～1.5，取1.1;

K3——分配系數(shù)，公差等級(jí)低于5 級(jí)時(shí)為1.3～1.6，取1.3;

K4——軸向偏載系數(shù)，查表取1.3。

滿足σH≤σHp的強(qiáng)度條件，安全。

5.3 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算

齒根彎曲應(yīng)力

齒根許用彎曲應(yīng)力σFp=σb/(SFK1K2K3K4)=351.4 MPa

式中 Rm取980 MPa;

SF——安全系數(shù)1.1～1.5，取1.2。

滿足σF≤σFp的強(qiáng)度條件，安全。

5.4 齒根剪切強(qiáng)度計(jì)算

式中 K——較多齒漸開線花鍵取0.3。

齒根最大剪切應(yīng)力τFmax=τtnαtn=173.7 MPa

許用剪切應(yīng)力τFp=σFp/2=175.7 MPa

滿足τFmax≤τFp的強(qiáng)度條件，安全。

5.5 齒面耐磨損能力計(jì)算

5.5.1 花鍵副在108循環(huán)次數(shù)以下工作時(shí)磨損能力計(jì)算

當(dāng)齒面壓應(yīng)力σH=28.1 MPa，查表得在108循環(huán)次數(shù)以下，齒面磨損許用壓應(yīng)力σHp1=110 MPa

滿足σH≤σHp1的強(qiáng)度條件，安全。

5.5.2 花鍵長期工作無磨損時(shí)耐磨能力計(jì)算

當(dāng)齒面壓應(yīng)力σH=28.1 MPa，查表得在長期工作無磨損時(shí)，齒面磨損許用壓應(yīng)力σHp2=9.2 MPa

不滿足σH≤σHp2的強(qiáng)度條件，不能長期無磨損或很少磨損工作。

5.6 外花鍵的扭轉(zhuǎn)與彎曲強(qiáng)度計(jì)算

考慮作用在花鍵副上的彎矩Mb=0，故彎曲應(yīng)力σFn=0

滿足σv≤σvp的強(qiáng)度條件，安全。

通過以上計(jì)算，EXT 25Z×5m×30P×6f GB/T3478.1—1995 外花鍵軸頭滿足承載能力要求。

6 軸頭花鍵整體位置控制樣板

在整體換輥時(shí)，需同時(shí)將11 根工作輥沿軸向移動(dòng)，使其外花鍵軸頭插入11 根萬向接軸的內(nèi)花鍵套中。漸開線花鍵軸頭能通過自動(dòng)定心調(diào)整連接位置誤差，并且在工作輥外花鍵軸頭與萬向接軸內(nèi)花鍵軸套的花鍵齒端處，按圖2 所示進(jìn)行了倒角加工，形成有效的導(dǎo)入條件，避免了干涉卡滯。在連接前再配合使用整體花鍵位置控制樣板(見圖5所示)，對(duì)11根工作輥軸頭花鍵的齒槽位置進(jìn)行調(diào)整，保持各輥齒槽圓周位置一致，可進(jìn)一步保證換輥的順利完成。

圖5 各工作輥花鍵位置控制樣板Figure 5 Spline location control template for respective work rolls

7 結(jié)論

工作輥采用漸開線花鍵軸頭的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力大，使板材矯平質(zhì)量得到提高;減少了換輥維護(hù)時(shí)間，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。