轧钢机主传动系统的重载十字轴式万向节关键技术

王光成

（山东钢铁集团莱芜分公司板带厂，山东 莱芜 271104）

万向节又称为联轴器，在机械的传动中应用广泛，主要是将两轴连接在一起，并且在运动的时候不能将其分离，只能等机器停止之后拆开进行分析。万向节分为刚性和挠性，刚性不允许两轴之间移动，而挠性则允许两轴之间移动。十字轴式万向节结构紧凑，传动的效率高，应用最广泛的就是挠性万向节。主要应用在大型的轧钢机中，是轧钢机主传动系统的重要部件，一般情况下会采用万向节作为轧钢机主传统系统中的联轴器，而且十字轴式万向节具有传动效率快、噪音小、稳定等特点，逐渐将十字滑块式万向节所取代。

1 重载十字轴式万向节技术差距和发展现状

1.1 技术差距

经过多年的发展，我国十字轴式万向节的使用寿命已经有了较大的提升，但是也存在一些问题，主要表现在：（1）在正向设计方面的理论不够完善，缺乏产品理论指导。（2）产品的使用寿命时间短。（3）产品的质量不稳定，影响生产。（4）将很多的因素都归类在了安全系数中，导致结构的尺寸设计不合理或者强度不足等。

1.2 发展现状

重载十字轴式万向节被广泛应用于大型的轧钢机或者热连轧粗轧机等重型机械的主传动装置中，在轧钢机的主传动系统中，重载十字轴式万向节都发生过让研究人员无法解释的时效现象。因此提出，在轧机设计的初步阶段就对整个主传动系统进行扭振计算，建立扭振模型以及一系列的理论和解析的方法，作为设计轧机扭振的基础。重载十字轴式万向节的组成如图1所示，重载十字轴式万向节与普通的万向节不同，它需要通过扁头和扁头套与轧辊进行连接，扁头套虽然不是最薄弱的部分，但是极易发生断裂。经过相关的研究表明，扁头套发生断裂是因为制造的质量没有达标所致。

图1 重载十字轴式万向节示意图

2 重载十字轴式万向节的运动学分析

重载十字轴式万向节的运动学分析主要是采用空间投影几何法，对相位角以及轴间角进行重点的分析，建立运动公式，并根据公式得出转角差和转速差。

2.1 匀速传动理论

为了解决十字轴式万向节传动时的转速问题，采取双轴十字轴式万向节，如图2所示。

在实际的应用过程中，对十字轴式万向节在制造以及安装的过程中会产生变形，导致轴承之间产生了夹角，从而使主传动系统遭到了破坏，产生了转速波动，引起了扭振。这种扭振会降低传动的精确度，引起振动和噪音，同时还会产生一个径向载荷，引起轴承的振动，严重时还会造成一定的磨损，产生压痕、脱落等现象。

2.2 相位角和夹角对转速产生的影响

当相位角转动一圈后，各个相位角所对应的转角就会出现一定的差值，如表1所示，转角差会随着相位角的增加而变大。表2为输入轴初始位置对转角差的影响。

表1 相位角对转角差值的影响

图2 匀速传动条件的双联十字轴式万向节

表2 输入轴初始位置对转角差的影响

3 重载十字轴式万向节的动力学分析

采用建模法对传动系统建立动力学模型，并对扭转振动以及耦合振动进行分析，提出载荷系数k，对主传动系统的过程进行分析。

3.1 轧钢机主传动系统的动力学模型

在进行万向节设计之前，需要对传动系统的特性以及原动机进行联合分析，从而得出最佳的传动系统，这也是未来十字轴式万向节发展的主要方向。轧钢机主传动系统是由很多惯性元件和弹性元件组成的系统，如图3所示，在加载的过程中，主传动系统的运行稳定，没有振动，但是在咬钢、振动的作用下，主传动系统会发生扭振，引起扭振的主要原因就是过载。对于轧钢机主传动系统需要采用动力学方法将主传动系统中的转动部件换成相应个数的集中转动惯量，建立主传动系统动力学模型，如图4所示。

3.2 二次分散在十字轴上的应用

十字轴式万向节中的叉头功能强大，需要共用一个十字轴，通过十字轴的传递使扭矩达到一定的强度，如果十字轴遭到了破坏，会使万向节失去功能，不能进行正常的运行，而十字轴是万向节中最重要也是最小的一个部件，轴颈会因为过度的运动造成断裂。如图5所示，如果将十字轴的轴根应力集中与疲劳联系在一起，在对轴颈增加强度时不能采取增加直径的方式增加十字轴的坚硬度，如果这样做会因为面积过大，应力集中点发生断裂，而十字轴也会在极大的压力之下不断的扩大，不管是局部应力的问题还是其他的问题，都会遭受到损坏。所以需要采取二次分散法对十字轴的轴根进行设计，缓解轴根的应力集中点。

4 重载十字轴式万向节的正向设计

对重载十字轴式万向节进行分析，观察两个叉头之间的运动关系，得出规律，并建立正向设计理论。

图3 轧钢机主传动系统示意图

图4 主传动系统动力学模型

4.1 十字轴式万向节产生断裂的原因

十字轴式万向节主要的部件就是十字轴，但是万向节的失效方式有很多种，比如十字轴断裂、变形、压痕或者脱落、磨损等，而十字轴是万向节中最重要的部件，制造的费用非常高，一旦破坏会导致万向节彻底失效。十字轴的断裂方式有过载折断和疲劳折断，在正常的工作下，轴根疲劳遭到破坏，产生裂纹，使得十字轴产生断裂。当轧钢机的咬钢发生扭振时，会影响十字轴的疲劳断裂，对于可逆式轧机，需要先进行循环处理，在不同的因素影响下，使十字轴承受不了而发生断裂现象。如图5所示。

在十字轴式万向节中，叉头之间的扭矩需要通过十字轴进行活动，一旦十字轴发生断裂会造成万向节停止工作，造成失效现象，而且这种失效是无法改进的，十字轴发生断裂后会使整个轧钢机系统瘫痪，轧钢生产线被迫停止。轧钢机主传动系统分为上轧辊和下轧辊，这两条系统主要的功能就是对十字轴的扭矩进行支撑，当其中一条发生故障后由另一条进行替补。

4.2 十字轴式万向节运动学设计

在对十字轴式万向节设计时需要注意工作条件，并且具备一定的工作能力，保证在工作期间寿命能够持续。重载十字轴式万向节的轴承需要采用滚针轴承，计算方法为：，从公式中可以得出，k是万向节的载荷系数，n是万向节的转速，β是万向节的夹角，T是扭矩，R是距离，如图6所示。

图5 十字轴的疲劳断裂

图6 十字轴结构示意图

5 结语

重载十字轴式万向节是轧钢机的关键部件之一，其运行状况直接影响了轧钢生产线的安全，对重载十字轴式万向节的运动原理进行了分析并进行了仿真研究，得出十字轴式万向节两端的相位角影响着万向节的运动特性。对载荷系数的因素也进行了具体的分析，当轧钢机的咬钢和抛钢发生运动后，扭振是主要的影响因素。并根据十字轴式万向节的传动理论，对可能出现的位置进行了分析，结合十字轴式万向节的准则，建立了重载十字轴式万向节的正向设计理论。