矫直机工作辊渐开线花键轴头设计分析

赵 岽 吴庆君

(1.太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工机械设备有限公司技术部，安徽 232033)

宽厚板矫直机工作辊具有运行速度高、承受矫直力大、传递扭矩大的特点，其轴头传动连接不但要求平稳可靠，而且与万向接轴的定位要准确，整体换辊时具有自动定心作用。当工作辊延轴向移动时，轴头与万向接轴脱开、连接，操作简单迅速。通过设备配有的换辊机构可实现辊系在线整体快速更换的功能，提高设备的工作效率，减轻工人的劳动强度。

工作辊轴头部分用于连接万向接轴进行传动，在辊子各台阶中直径尺寸最小，承受扭转应力最大。轴头的连接形式、参数选择、承载能力、强度校核是工作辊设计中的重要工作。

1 工作辊性能参数

以一台4 300 mm 宽厚板11 辊矫直机工作辊进行说明。

1.1 工作辊参数

矫直钢板温度/℃:常温～160

总矫直力/kN:30 000

单辊最大矫直力/kN:8 270

单辊最大扭矩/N·m:20 000

矫直速度/m·min－1:0～30～60

因设备矫直速度快、矫直力大、传递扭矩大，故要求工作辊材料综合力学性能好，辊面硬度高，加工制造尺寸精密。

1.2 工作辊力学性能:

规格:(∅220+0.05×4 300)mm，Ra0.4 μm

材料:冷轧工作辊用钢9Cr2MoV

调质热处理286～321HBW

按JB/T 5000.15Ⅲ级进行超声波检验

力学性能:屈服强度Re/MPa:≥750

抗拉强度Rm/MPa:=980～1 050

延伸率A(%):≥14

冲击功Ak/J:≥30

2 工作辊轴头技术要求

工作辊轴头传动连接应满足以下技术要求:

(1)承受大扭矩，适用于频繁正反转。工作辊轴头在辊子各台阶中直径尺寸最小，轴头承受最大扭矩达20 000 N·m。在压下量和矫直速度给定的情况下，由于被矫板材的不规则变形、局部屈服强度增大等原因，矫直过程中承受瞬间较大扭矩的情况频繁发生。因此工作辊轴头传动连接应具有足够的强度和承载能力。

矫直高强钢板时需经多道次往复矫直，为了满足生产节奏的要求，工作辊轴头连接应适于这种频繁正反转、往复矫直的要求。

(2)传动平稳可靠，使用寿命长。设备的矫直速度可达(0～30～60)m/min，轴头应连接可靠，使工作辊运转平稳，保证矫直板材质量。因轴头受损后很难修复，从而导致整个工作辊报废，其设计使用寿命应不低于辊身寿命。

(3)脱开、连接操作简单迅速，具有自动定心功能。为提高设备的工作效率减轻工人劳动强度，宽厚板矫直机配有换辊机构，可实现辊系在线整体快速更换功能。在整体换辊操作时，11 根工作辊延轴向移动，要求轴头同时与万向接轴脱开、连接操作简单迅速，对换辊过程中产生的连接位置误差，能通过自动定心调整到位。

(4)具有互换性。工作辊数量较多，各辊独立传动，轴头与万向接轴的连接必须具有完全互换性，实现备件管理、操作维护简单高效。

(5)加工工艺性好。工作辊属于细长轴类零件，其长径比达19 以上。轴头的加工不仅应便于机床装卡，而且要与辊身具有相同的加工基准，以保证轴头与辊身同心度的要求，提高传动精度，延长使用寿命。

(6)拆装维护方便。工作辊、万向接轴花键套属易损件，工作辊轴头连接方式不应特殊，要便于快速更换。这样不但减轻了工作人员劳动强度和设备的维护使用成本，而且易于备件采购，缩短订货周期。

3 工作辊渐开线花键轴头的技术特点

工作辊的轴头形式通常分为双键槽轴头、扁头轴头、渐开线花键轴头，3 种轴头的性能对比见表1。

渐开线花键轴头的齿廓为渐开线，花键齿较短，齿根较宽，不发生根切的最少齿数也较小。渐开线花键可以用制造齿轮的方法来加工，工艺性较好，制造精度也较高。花键齿的根部强度高，应力集中小，易于定心，采用渐开线花键联接更能满足工作辊轴头的技术要求。

表1 3 种轴头的性能对比Table 1 Property contrast among three types of shaft head configurations

4 工作辊渐开线花键轴头的结构与受力分析

4.1 配有渐开线花键轴头的工作辊

配有渐开线花键轴头的工作辊结构如图1 所示。

在整体换辊时，为进一步满足11 根工作辊延轴向移动时，外花键轴头与十一根万向接轴内花键套连接、脱开简单快速的要求，还需在工作辊外花键轴头与万向接轴内花键轴套的花键齿端处，按图2 所示进行倒角，形成有效的导入条件，避免干涉卡滞。

4.2 工作辊轴头渐开线花键副的受力分析

为消除与工作辊连接的万向接轴所产生的压轴力影响，在工作辊外花键端设计∅80f7 的出轴(见图1 所示)，故此花键副按受纯转矩载荷考虑。对无误差的花键连接，其只传递转矩T 而无压轴力F 时，一侧的各齿面在转矩T 的作用下，彼此接触、侧隙相等，内、外花键的两轴线仍是同轴的，如图3 所示。所有键齿传递转矩，承受同样大小的载荷，如图4 所示。

在实际的使用中，工作辊轴头花键的主要失效形式为花键轴整体折断和花键齿面压溃，所以花键轴头需经承载能力计算。

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图2 外花键轴头与内花键轴套的倒角Figure 2 Chamfer of outside spline shaft head and inside spline shaft sleeve

图3 内、外花键接触状态Figure 3 Contact status of inside spline and outside spline

5 工作辊轴头渐开线花键尺寸参数确定

依据矫直辊轴头尺寸、连接精度、技术要求确定渐开线花键副尺寸参数:

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

齿数Z=25，模数m=5，压力角α=30°，平齿根，公差等级为6 级，齿侧配合H/f，分度圆直径D=125 mm，齿根圆角半径ρ=0.75 mm，渐开线起始圆直径DFe=119.45 mm，外花键大径的基本尺寸Dee=130 mm，内花键小径的基本尺寸Dii=120.45 mm，外花键小径的基本尺寸Die=117.5 mm，工作齿高hw=(Dee－Dii)/2=4.78 mm，全齿高h=(Dee－Die)/2=6.25 mm，基本齿厚S=7.854。

工作辊材料的屈服强度Re≥750 MPa，抗拉强度Rm=(980～1 050)MPa，计算转矩T=20 000 N·m，矫直速度V=(0～30～60)m/min，输入端为电机(平稳)，矫直辊受中等冲击，花键副结合长度L=110 mm。

5.1 载荷计算

名义切向力Ft=2 000T/D=320 000 N

单位载荷W=Ft/ZLcosα=134.4 N/mm

5.2 齿面接触强度计算

图4 键齿载荷分布Figure 4 Spindle teeth loading distribution

齿面压应力σH=W/hw=28.1 MPa

式中 SH——安全系数1.1～1.5，取1.3;

K1——使用系数，电机传动(平稳)、矫直辊受中等冲击，查表取1.25;

K2——齿侧间隙系数，当压轴力较小、花键副精度较高时为1.1～1.5，取1.1;

K3——分配系数，公差等级低于5 级时为1.3～1.6，取1.3;

K4——轴向偏载系数，查表取1.3。

满足σH≤σHp的强度条件，安全。

5.3 齿根弯曲强度计算

齿根弯曲应力

齿根许用弯曲应力σFp=σb/(SFK1K2K3K4)=351.4 MPa

式中 Rm取980 MPa;

SF——安全系数1.1～1.5，取1.2。

满足σF≤σFp的强度条件，安全。

5.4 齿根剪切强度计算

式中 K——较多齿渐开线花键取0.3。

齿根最大剪切应力τFmax=τtnαtn=173.7 MPa

许用剪切应力τFp=σFp/2=175.7 MPa

满足τFmax≤τFp的强度条件，安全。

5.5 齿面耐磨损能力计算

5.5.1 花键副在108循环次数以下工作时磨损能力计算

当齿面压应力σH=28.1 MPa，查表得在108循环次数以下，齿面磨损许用压应力σHp1=110 MPa

满足σH≤σHp1的强度条件，安全。

5.5.2 花键长期工作无磨损时耐磨能力计算

当齿面压应力σH=28.1 MPa，查表得在长期工作无磨损时，齿面磨损许用压应力σHp2=9.2 MPa

不满足σH≤σHp2的强度条件，不能长期无磨损或很少磨损工作。

5.6 外花键的扭转与弯曲强度计算

考虑作用在花键副上的弯矩Mb=0，故弯曲应力σFn=0

满足σv≤σvp的强度条件，安全。

通过以上计算，EXT 25Z×5m×30P×6f GB/T3478.1—1995 外花键轴头满足承载能力要求。

6 轴头花键整体位置控制样板

在整体换辊时，需同时将11 根工作辊沿轴向移动，使其外花键轴头插入11 根万向接轴的内花键套中。渐开线花键轴头能通过自动定心调整连接位置误差，并且在工作辊外花键轴头与万向接轴内花键轴套的花键齿端处，按图2 所示进行了倒角加工，形成有效的导入条件，避免了干涉卡滞。在连接前再配合使用整体花键位置控制样板(见图5所示)，对11根工作辊轴头花键的齿槽位置进行调整，保持各辊齿槽圆周位置一致，可进一步保证换辊的顺利完成。

图5 各工作辊花键位置控制样板Figure 5 Spline location control template for respective work rolls

7 结论

工作辊采用渐开线花键轴头的设计，结构简单，实用性强，传动平稳，承载能力大，使板材矫平质量得到提高;减少了换辊维护时间，减轻了工人的劳动强度和维护使用成本，提高了设备的生产效率。