大型滑塊式萬向接軸模塊化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

周仁斌

（泰爾重工股份有限公司，安徽馬鞍山，243000）

引言

滑塊式萬向接軸能夠在大傾角情況下傳遞較大的扭矩，廣泛應(yīng)用于熱連軋粗軋機(jī)、寬厚板粗軋機(jī)、寬厚板精軋機(jī)等軋制負(fù)荷較大的軋鋼設(shè)備中?；瑝K式萬向接軸結(jié)構(gòu)形式很多，其區(qū)別在于接軸鉸鏈的結(jié)構(gòu)不同，但都是根據(jù)虎克鉸鏈原理制成的［1］。常見滑塊式萬向接軸中的叉頭與中間軸一般采用過盈連接，裝配后叉頭和中間軸的徑向變形使結(jié)合面間產(chǎn)生很大的摩擦力，通過摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和載荷。這種連接雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)，但因叉頭與中間軸不便拆卸造成接軸笨重、制造工藝復(fù)雜、制造成本高、維修不便等缺點(diǎn)，因此，改進(jìn)滑塊式萬向接軸的結(jié)構(gòu)是很有必要的。

1 接軸結(jié)構(gòu)研究

圖1 所示為常見滑塊式萬向接軸結(jié)構(gòu)示意圖，其軋輥側(cè)是由軋輥側(cè)扁頭1、軋輥側(cè)銷軸2、軋輥側(cè)滑塊3、軋輥側(cè)叉頭4 等零件構(gòu)成的開式十字鉸鏈；電機(jī)側(cè)是由電機(jī)側(cè)叉頭6、銅套7、電機(jī)側(cè)滑塊8、限位裝置9、電機(jī)側(cè)銷軸10、電機(jī)側(cè)扁頭11 等零件構(gòu)成的閉式十字鉸鏈，兩側(cè)鉸鏈通過中間軸5連接，這樣可以使被連接的不在同一軸線的兩軸等角速連續(xù)回轉(zhuǎn)并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。

圖1 常見滑塊式萬向接軸結(jié)構(gòu)圖

軋輥側(cè)叉頭4 及電機(jī)側(cè)叉頭6 分別與中間軸5過盈連接，由于滑塊式接軸應(yīng)用在重載荷工況下，設(shè)計(jì)過盈量一般都在1 mm以上，這種大過盈連接結(jié)構(gòu)給生產(chǎn)企業(yè)及用戶帶來很大困擾。

（1）制造工藝復(fù)雜、設(shè)備依賴嚴(yán)重。輥端側(cè)叉頭、電機(jī)側(cè)叉頭主要工藝過程為：冶煉→鍛造→正火→粗加工→熱處理→半精車→半精鏜→精車→鉆→精磨→檢驗(yàn)→裝配→精鏜→探傷→檢驗(yàn)，叉頭徑向鏜孔裝配前需預(yù)留精加工余量，與中間軸裝配后精鏜到位，工藝較為復(fù)雜；此外，叉頭與中間軸裝配后總長(zhǎng)可以達(dá)到10 m 以上，精鏜工序只能依賴TJK6920 數(shù)控落地鏜銑床等超大型設(shè)備完成，容易出現(xiàn)設(shè)備排產(chǎn)瓶頸，且加工精度受設(shè)備限制。

（2）制造周期長(zhǎng)、裝配風(fēng)險(xiǎn)大。叉頭與中間軸基本采用熱脹法進(jìn)行裝配，以回轉(zhuǎn)直徑Φ935 mm 規(guī)格關(guān)節(jié)為例，設(shè)計(jì)過盈量為1.18 mm～1.3 mm，叉頭裝配溫度達(dá)到340 ℃，其加熱、裝配過程為：叉頭入爐前檢測(cè)→均勻升溫6 h→保溫40 h→出爐尺寸檢測(cè)→裝配→石棉保護(hù)緩冷。整個(gè)裝配過程人員操作困難、耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響制造周期；同時(shí)，叉頭裝配時(shí)溫度較高，內(nèi)孔尺寸無法準(zhǔn)確測(cè)量，很可能出現(xiàn)未裝配到位就卡住的情況，裝配風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）不便于維修?；瑝K式萬向接軸最常見的失效形式為叉頭磨損，但由于磨損部位工作時(shí)受力較大，因此不采用增材修復(fù)。接軸維修時(shí)，只能依托大型設(shè)備加工去除磨損叉頭，再制作新叉頭后裝配到接軸上，維修工藝復(fù)雜、維修周期長(zhǎng)、維修成本高。

（4）備件成本高。由于叉頭與中間軸配合過盈量大，用戶現(xiàn)場(chǎng)不具備拆、裝條件，因此用戶在備件采購(gòu)時(shí)需要采購(gòu)叉頭—中間軸組件，備件采購(gòu)成本高。

常見的滑塊式萬向接軸模塊化程度較低，以上問題均無法避免，只有優(yōu)化接軸結(jié)構(gòu)才能得到改善。

2 模塊化設(shè)計(jì)方案

模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。它具有設(shè)計(jì)與制造時(shí)間短、利于產(chǎn)品更新?lián)Q代和新產(chǎn)品開發(fā)、利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本、利于增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力，以及便于維修等優(yōu)點(diǎn)［2］。將端面齒作為模塊接口應(yīng)用到滑塊式萬向接軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)中，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的滑塊式萬向接軸

接軸結(jié)構(gòu)中包含：由軋輥側(cè)扁頭1、軋輥側(cè)銷軸2、軋輥側(cè)滑塊3、軋輥側(cè)叉頭4組成的軋輥端萬向節(jié)模塊，由電機(jī)側(cè)叉頭6、銅套7、電機(jī)側(cè)滑塊8、限位裝置9、電機(jī)側(cè)銷軸10、電機(jī)側(cè)扁頭11 組成的電機(jī)端萬向節(jié)模塊，以及將兩者連接的中間模塊。各模塊之間通過法蘭端面齒連接。與常見結(jié)構(gòu)相比，叉頭制造時(shí)不需要加熱裝配，可縮短制造周期、降低制造成本；同時(shí)，各零件單獨(dú)完成精加工，不再依賴超大型制造設(shè)備，便于實(shí)現(xiàn)各零件的高精度加工；更為重要的，用戶采購(gòu)備件時(shí)可根據(jù)接軸實(shí)際失效情況單獨(dú)采購(gòu)零件，備件成本可大幅降低。

2.1 安全性校核

由圖1、圖2 可知，改進(jìn)的模塊化接軸是將原結(jié)構(gòu)過盈連接優(yōu)化為更易制造、使用的標(biāo)準(zhǔn)端面齒連接，其余結(jié)構(gòu)維持不變，因此安全性校核主要針對(duì)端面齒強(qiáng)度及螺栓強(qiáng)度。

（1）端面齒齒面擠壓強(qiáng)度校核

端面齒軸向主要承受螺栓預(yù)緊力及傳遞轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的軸向分力，因此齒面擠壓強(qiáng)度σp校核公式為：

式中：F’——螺栓預(yù)緊力，kN；

Ft——傳遞轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的軸向分力，kN；

AZ——端面齒軸向投影有效接觸面積，mm2；

［σp］——材料許用擠壓應(yīng)力，MPa。

螺栓預(yù)緊力合力F’計(jì)算公式［4］：

式中：n——螺栓孔數(shù)量；

d——螺栓公稱直徑，mm；

T0——螺栓擰緊力矩，kN·m；

k——扭矩系數(shù)，取k=0.2。

傳遞轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的軸向分力Ft計(jì)算公式：

式中：T——傳遞轉(zhuǎn)矩，kN·m；

D——端面齒外徑，mm；

D2——端面齒內(nèi)徑，mm；

θ——齒形角，（°）。

端面齒軸向投影有效接觸面積AZ計(jì)算公式［5］：

式中：z——齒數(shù)；

R——齒根圓半徑，mm；

c——齒頂間隙，mm；

η——承載百分百，取η=65%。

（2）螺栓強(qiáng)度校核

法蘭端面齒聯(lián)接所選用的螺栓和螺母，其力學(xué)性能應(yīng)滿足F’的要求：

式中，υ——安全系數(shù)，其值取1.8～3.0［3］。

2.2 計(jì)算舉例

以某3 800 mm 厚板軋機(jī)主傳動(dòng)軸為例，軋輥側(cè)法蘭端面齒外徑D=1 030 mm、端面齒內(nèi)徑D2=820 mm、齒數(shù)z=144、齒形角齒θ=40°、齒根圓半徑R=2.5 mm、齒頂間隙c=3.891 mm。法蘭選用24 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)為10.9 級(jí)的M48×3 螺栓進(jìn)行軸向預(yù)緊，擰緊力矩T0=5.79 kN·m，端面齒承受轉(zhuǎn)矩取電機(jī)切斷轉(zhuǎn)矩T=3 721 kN·m。將以上參數(shù)代入強(qiáng)度計(jì)算公式中，得到齒面擠壓應(yīng)力σp=274.871 MPa、螺栓安全系數(shù)λ=4.943。

法蘭材料為30Cr2Ni2Mo，許用擠壓應(yīng)力［σp］=σs/n=800 MPa/2.5=320 MPa［6］，安全系數(shù)取2.5。對(duì)比可知σp＜［σp］，滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的要求。法蘭螺栓安全系數(shù)λ=4.943，滿足預(yù)緊力要求。

2.3 應(yīng)用情況

某鋼廠3 800 mm 寬厚板生產(chǎn)線粗、精軋主傳動(dòng)接軸都選用模塊化結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)各零部件單獨(dú)更換，有效降低了用戶現(xiàn)場(chǎng)備件成本，且拆裝方便、便于維護(hù)和更換。接軸自2019年年底上線使用以來，端面齒連接安全可靠，滿足了客戶的軋制工藝及運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)了接軸的可互換、高性能、高可靠、易維護(hù)。見圖3、圖4。

圖3 接軸制造

圖4 接軸在線使用

2.4 安裝維護(hù)注意事項(xiàng)

與常見結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)的模塊化接軸增加了端面齒接口，因此安裝維護(hù)時(shí)需要額外關(guān)注端面齒連接。

（1）因改進(jìn)的接軸可以拆開以零件或組件形式存儲(chǔ)，當(dāng)帶有端面齒的零件單獨(dú)放置時(shí)，需保護(hù)好端面齒部位，避免端面齒齒部變形、銹蝕而影響安裝、使用。

（2）安裝時(shí)，端面齒結(jié)合面如有凸起部分，應(yīng)用油石修平，涂上防銹油后進(jìn)行安裝。將端面齒套安裝在端面齒法蘭齒部凹槽處以保護(hù)端面齒，如圖5所示；聯(lián)接法蘭螺栓（柱）必須使用不低于規(guī)定強(qiáng)度等級(jí)的高強(qiáng)度螺栓（柱），并配有相應(yīng)的防松螺母；預(yù)緊高強(qiáng)度螺栓（柱）需使用液壓扳手等專用工具，按設(shè)計(jì)的螺紋規(guī)格及對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力矩值擰緊螺母。

圖5 端面齒連接

（3）使用前，檢查所有螺栓（柱）、螺母不應(yīng)有未預(yù)緊或松動(dòng)情況。

（4）在線維護(hù)時(shí)，停機(jī)檢查法蘭聯(lián)接螺栓（柱）是否松動(dòng)，如有松動(dòng)必須使用扭矩扳手按照預(yù)緊力要求重新擰緊。

（5）拆卸時(shí)，螺栓（柱）及螺母等緊固件應(yīng)使用專用扳手進(jìn)行，不可采用火焰切割，以免降低被聯(lián)接件材料的機(jī)械性能。

3 結(jié)語(yǔ)

模塊化結(jié)構(gòu)可以提高加工精度、縮短制造周期、降低制造風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約制造成本及用戶備件成本、方便拆裝、便于維護(hù)和更換。改進(jìn)的模塊化接軸已在多條寬厚板生產(chǎn)線主傳動(dòng)軸上成功應(yīng)用，使用效果良好，經(jīng)濟(jì)效益明顯。文中提到的滑塊式萬向接軸模塊化改進(jìn)方案，可為滑塊式萬向接軸標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、輕量化設(shè)計(jì)提供參考。