粗轧机十字万向接轴优化设计与改造 张令华,秦 栋,徐勤广,崔华翠 (济南钢铁集团有限责任公司,山东 济南 250101) 摘 要:济钢中厚板厂粗轧机十字万向接轴由于结构形式不够合理,容易发生故障。利用Mechanical Desktop6.0软件进行三维应力校核和计算,对其重新设计,十字轴材质采用34CrNi3Mo,优化了产品零部件结构,改善了其受力状况,使用寿命延长到1 a。 关键词:十字万向接轴;计算机辅助设计;优化改造 中图分类号:TG333.15 文献标识码:B 文章编号:1004-4620(2008)03-0079-01 大型十字万向接轴主要运用于轧机主传动装置上,是关系轧机运行质量的重要装备,其工况恶劣,载荷重、冲击大、尖峰负荷出现频繁。济钢中厚板厂粗轧机十字轴原来经常发生十字轴、轴承座连接螺栓、接头等重要零部件断裂故障。为做好十字接轴的使用维护,减少故障,对其进行结构改进,重新进行设计。借助Autodesk公司的Mechanical Desktop6.0软件作为主要的辅助工具,对济钢粗轧机万向接轴进行了模拟校核和优化。 1 原接轴的结构形式和存在问题 原大型十字接轴多采用SWZ型整体轴承座双螺栓连接式,该接轴的主要零部件结构均存在问题,直接影响接轴的综合性能,使其不能满足轧机的运行要求。选择重要的零部件分析如下: 1)十字轴。该十字轴轴颈与中间部分的过渡截面尺寸变化大,过渡陡峭,呈锐边、锐角阶梯轴状,易造成应力集中。当接轴承受载荷时,该区域本身为大应力区,最大应力状况是三向受拉应力。十字轴材料选用20CrMnTi,根据生产实践,这种材料的热处理质量不稳定,其综合机械性能不适合做承受大冲击循环载荷的零件使用。 2)轴承座连接螺栓。其工作载荷大,受空间位置限制,螺栓公称直径相对较小,即使采用国家标准10.9级通用的设计和制造,也不能满足使用要求,导致经常断裂。 3)轴承座。在实际使用中,轴承座也是经常发生故障的重要部件之一。存在以下问题:“底键”过高,造成相应接头的键槽过深,抗弯曲强度降低;“底孔”太小,不利于轴承孔的机械加工和热处理;“定位止口”太短,无法准确定位,造成十字轴轴颈中心线交点与万向节理论铰接点有较大的偏移;轴承座所有的棱边均不倒圆,轴承座的热处理要求很高,调质后要渗碳淬火,尖锐的棱边无法保证热处理质量。 4)辊端接头。原辊端接头存在以下问题:与轴承座接触的凸台相互孤立,无中间桥连接,造成其强度和刚度降低;凸台垂直凸起,无倾斜角度,过渡圆角太小会造成应力集中,其强度降低,国外先进公司均以8°锥面凸起;力矩输入端轴承座键槽受力面与力矩输出端衬板槽受力面相互垂直。 2 计算机辅助优化设计 针对以上分析,结合现场情况,利用Mechanical Desktop6.0软件重新进行三维实体校核和优化。 2.1 确定接轴的结构型式 该接轴用于中厚板可逆式轧机,载荷重、冲击大、尖峰负荷出现频繁,轴线折角较小,采用SWZ型整体轴承座式十字万向接轴。中间轴设置为可伸缩花键副结构。单头万向节是接轴的重要部位,该处零件种类多,空间受限制,分布紧凑,零件强度相对于接轴中间轴部位低,属易损件,该部分设计为与中间轴用法兰联接的分体式独立结构,便于检修和更换。 2.2 优化设计 利用Mechanical Desktop6.0软件进行详细校核,步骤如下:零件的三维实体校核,修改实体模型,分析零件和总体的质量特性(包括质量、质心坐标、转动惯量等),自动生成二维工程图。对重要零件的三维造型校核过程介绍如下: 1)该十字轴材质采用34CrNi3Mo,结构合理,轴颈与中间部分截面尺寸变化较小,有利于整体热处理性能的提高,过渡区平缓,以大圆弧面光滑连接,消除高应力区的应力集中,大大提高了十字轴的承载能力。十字轴设计如图1所示,轴承座结构如图2所示,其结构合理,受力均匀。 图1 新设计十字轴 图2 新设计的轴承座结构 2)辊端接头。辊端接头力矩输入端轴承座键槽受力面与力矩输出端衬板槽受力面相位相同,减少了两受力面的应力。与轴承座接触的凸台通过中间桥连接成整体,根部用大圆弧面过渡,凸台的刚度和强度得到了很大提高。每个凸台设置3个螺栓孔,使轴承座通过高强度螺栓强力连接后,各部位受力均匀(见图3)。 图3 优化设计的辊端接头 3 结 语 此次设计修改,全方位综合考虑提高万向接轴的承载能力,对于产品零部件结构尺寸的优化、装配后相对运动件的干涉检查、接轴平衡装置参数的确定等工作都非常精确,有效提高了接轴的综合使用性能。实际应用中,接轴寿命由原来的0.5 a提高到1 a,经济效益较可观。 |