馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

葛衛(wèi)國，趙英杰，廖京川

GE Wei-guo, ZHAO Ying-jie, LIAO Jing-chuan

（重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404100）

0 引言

在軋鋼生產(chǎn)中，萬向聯(lián)軸器是軋制設(shè)備的關(guān)鍵傳動部件，它的作用是將主電機(jī)的功率經(jīng)齒輪箱一分為二（二輥軋機(jī)）或一分為三（三輥軋機(jī)）地傳遞給上下位置隨時變化的軋輥。由于受空間的限制，萬向軸的直徑通常要比軋輥直徑小5mm～15mm，這使得萬向軸成為主傳動裝置中強(qiáng)度最薄弱的部件。目前，冶金機(jī)械傳動中廣泛使用的是十字軸式萬向聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器在實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)十字軸的折斷、叉架的變形和斷裂等事故，這些事故的發(fā)生均與萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝有直接關(guān)系，尤其是高速重載或粗軋機(jī)主傳動中使用的萬向聯(lián)軸器，發(fā)生此類斷裂事故較為頻繁，對生產(chǎn)影響較大。針對這種情況，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器。

1 馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 新型聯(lián)軸器基本結(jié)構(gòu)

由于萬向軸的直徑要比軋輥直徑小5mm～15mm，為了提高萬向軸的承載能力，無法加大萬向軸的直徑，只有在有限的空間內(nèi)，合理增大各部件的強(qiáng)度。

馬鞍型雙葉軸式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是根據(jù)萬向聯(lián)軸器的受力特點(diǎn)，改變聯(lián)軸器中間受力元件的受力狀態(tài)，突破傳統(tǒng)萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，將分體式的叉頭結(jié)構(gòu)設(shè)計成整體外殼，把整體式的十字軸結(jié)構(gòu)設(shè)計成兩個雙葉軸，滿足傾角用的間隙留在兩個雙葉軸軸向之間。從而，合理地利用了有限的空間，提高了各部件的強(qiáng)度，增大萬向軸的承載能力。

如圖1所示，新型聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)主要由端面鍵，雙葉軸叉，殼體，軸承杯，圓柱滾子，密封圈，端蓋，油堵，調(diào)整墊，螺釘組成。其中，雙葉軸十字包總成為2個相對且90°交叉安裝的雙葉軸叉和殼體，殼體為空心的圓腰鼓狀，其中心兩個鼓面上對應(yīng)地開有安裝通孔，便于兩個雙葉軸叉相對地從兩邊伸入到鼓形體的空腔中安裝。裝配時先將2個雙葉軸叉的4個軸頭分別插入殼體的軸承孔內(nèi)，同時將圓柱滾子、密封圈裝于軸承杯內(nèi)，然后將裝配好的軸承組件從殼體的外側(cè)裝入軸承孔內(nèi)，選配合適的調(diào)整墊裝入端蓋內(nèi)，最后把端蓋用螺釘緊固，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器裝配圖

圖2 馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖

材料選材上，雙葉軸采用20CrMnTi或20CrMn，并進(jìn)行滲碳淬火處理，軸頭表面硬度為HRC58-62，滲碳深度為1mm～1.5mm，心部硬度HRC40-45。殼體采用35CrMo或42CrMo，調(diào)質(zhì)處理硬度HB241-287。

1.2 殼體與雙葉軸叉結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 殼體

圖4 雙葉軸叉

如圖3所示，鼓形體的圓周壁上徑向均布著4個軸承孔，軸承孔兩兩相對且軸線垂直相交；軸承孔內(nèi)設(shè)有軸承杯，與圖4所示雙葉軸叉的軸頭形成活動連接；雙葉軸叉呈馬鞍形，下部基座為法蘭盤半聯(lián)軸節(jié)，上部為兩個同軸的沿反方向向外伸出的軸頭；安裝時，兩個雙葉軸叉相對地從安裝通孔內(nèi)伸入，軸頭套入各自對應(yīng)的軸承杯中，呈十字交叉狀態(tài)在殼體內(nèi)組裝；雙葉軸叉的軸肩處設(shè)有密封圈，作為防塵保護(hù)。

1.3 軸承杯與圓柱滾子結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 軸承杯

圖6 端蓋

如圖5所示，軸承杯內(nèi)圓柱表面上分布有若干個圓柱滾子，圓柱滾子包絡(luò)在雙葉軸叉的軸頭的圓柱表面上。圓柱滾子之間留有間隙為（0.25～2d/5）mm，其中d為圓柱滾子的直徑。

1.4 端蓋與調(diào)整墊結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖6所示，殼體軸承孔的外端設(shè)有端蓋，端蓋由若干個螺釘固定在殼體上。端蓋的平面與殼體的平面應(yīng)緊密配合，與軸承杯的端面與端蓋的平面之間留有0.1mm～0.2mm的間隙，與雙葉軸叉的端面處留有0.1mm～0.15mm的間隙。端蓋的凹平面與雙葉軸叉軸頭的端面之間還設(shè)有調(diào)整墊，調(diào)整墊按照端蓋、雙葉軸叉及殼體的有關(guān)實測尺寸進(jìn)行選配，按實測尺寸選配，以限制雙葉軸叉軸頭的軸向竄動。保證雙葉軸叉軸頭的軸向游隙為0.1mm～0.15mm，使聯(lián)軸器裝配后，其軸承關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，又無軸向竄動，調(diào)整墊采用銅或球墨鑄鐵材料制作。

1.5 油堵結(jié)構(gòu)設(shè)計

端蓋上設(shè)有油堵，擰掉油堵可向軸承內(nèi)注入潤滑油，注入的潤滑油可貯存在雙葉軸叉軸頭端面上的凹槽內(nèi)，通過雙葉軸叉端面上的油槽進(jìn)入軸承內(nèi)。雙葉軸叉的法蘭盤半聯(lián)軸節(jié)上設(shè)有加強(qiáng)固定用的端面鍵。

1.6 雙聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)

如圖7所示，還可將兩個單聯(lián)軸器串聯(lián)而成為雙聯(lián)軸器，使得主、從動軸等速回轉(zhuǎn)，兩個單聯(lián)軸器由花鍵軸和花鍵套連接，以滿足不同軸端距安裝和拆卸帶的需要。

圖7 雙聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖

2 新型聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩校核

萬向聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩為：

交變載荷時： Tc≤Tf (N·m)。

式中，Tn為萬向聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，N·m；

Tf為萬向聯(lián)軸器的疲勞轉(zhuǎn)矩，N·m；

T為萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩，N·m；

Kn為萬向聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；

Kh為萬向聯(lián)軸器的軸承壽命系數(shù)；

K為萬向聯(lián)軸器的兩軸線折角系數(shù)；

Ka為載荷修正系數(shù)。載荷均勻，工作平穩(wěn)時，Ka=1.0；載荷不均勻，中等沖擊時，Ka=1.1～1.3；較大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時，Ka=1.3～1.5，特大沖擊載荷和頻繁正反轉(zhuǎn)時Ka＞1.5。

對新型聯(lián)軸器進(jìn)行有限元分析，與同規(guī)格的十字軸式萬向聯(lián)軸器相比，馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器可提高承載扭矩20%～30%，增大傾角5°～8°。

3 結(jié)論

馬鞍型雙葉軸式萬向聯(lián)軸器保留了十字軸式萬向聯(lián)軸器的滾動軸承結(jié)構(gòu)，將十字軸分為兩個十字交叉的雙葉軸，四個叉架合成一個整體。這樣，就可以在有限的空間內(nèi)加大軸承的尺寸，即增大雙葉軸的軸徑和軸承孔的孔徑，提高了軸承部位的強(qiáng)度，同時，整體外殼相對四個叉架的承載能力也有相應(yīng)提高。從而，增大了萬向軸的傳遞扭矩，提高了壽命，減少了事故的發(fā)生，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

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