黃 強(qiáng)
(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇無錫 214400)
興澄特鋼中板產(chǎn)線主要設(shè)備是意大利達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的進(jìn)口設(shè)備,一臺軋制力為80000 kN的軋機(jī),年產(chǎn)120萬t鋼板。軋機(jī)萬向軸為十字軸式,主電機(jī)端回轉(zhuǎn)直徑為1000 mm,軋輥端回轉(zhuǎn)直徑為 860 mm。軋機(jī)萬向軸總長度為 11640(+205/-210)mm,軋機(jī)主電機(jī)功率為8000 kW,主電機(jī)轉(zhuǎn)速為0/85/220 r/min,最大傾角5°。萬向軸分上下水平布置,分別與上下輥配套使用,上下尺寸均相同。萬向軸輥端軸套、輥端十字包、短軸、中間軸、電機(jī)端十字包、電機(jī)端連接法蘭6部分組成。其中十字包又包括十字軸、叉頭等關(guān)鍵部件,這些部件通常選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件,經(jīng)多種熱處理工序和機(jī)加工工序制成。它所具備高強(qiáng)度、高硬度和耐磨的特性,是保證主傳動萬向軸扭矩傳遞和工作壽命的關(guān)鍵。萬向軸采用單元模塊化結(jié)構(gòu),將十字包、軸套等設(shè)計(jì)成獨(dú)立單元,各單元間使用端面齒和12.9級強(qiáng)度螺栓連接,各單元可以單獨(dú)更換,拆裝方便。
根據(jù)主電機(jī)功率轉(zhuǎn)速、扭矩和電機(jī)與軋輥端距離,萬向軸水平布置能滿足軋制扭矩要求。
2.1.1 材料參數(shù)
十字軸材質(zhì):20Cr2Ni4A;
表面光潔度:1.6 μm;
單根軸傳遞最大理論轉(zhuǎn)矩公式:T=9.55Pw/n
式中,Pw——驅(qū)動功率,Pw=8000 kW;
n——最小工作轉(zhuǎn)速,n=80 r/min;
計(jì)算得出:T=955 kN·m。
2.1.2 十字軸強(qiáng)度計(jì)算
主要研究回轉(zhuǎn)直徑860 mm十字包組件的十字軸。
十字軸主要失效形式為軸頸在軸肩處彎曲強(qiáng)度不足,此處應(yīng)力最大(見圖1十字軸有限元分析)。十字軸最大應(yīng)力發(fā)生在截面A-A處(見圖2十字軸受力分析),已知萬向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T,可求出作用在十字軸軸頸中部的力P。
圖1 十字軸有限元分析
圖2 十字軸受力分析
(1)P=T/2R
式中,十字軸中心到軸頸中部的距離R=299 mm;
萬向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T=955 kN·m=9.55×108N·mm。
計(jì)算得出:P=1.6×106N。
(2)A-A截面彎矩MW=P×S
式中,軸頸中部到軸肩的距離S=105 mm。
計(jì)算得出:MW=1.6×106×105=1.68×108N·mm。
(3)A-A截面彎曲應(yīng)力為σW=MW/W
式中,A-A截面抗彎截面系數(shù)W=πd3/32;
危險A-A截面直徑d=290 mm。
計(jì)算得出:σW=MW/W=1.68×108×32/πd3=70.1 N/mm2。
(4)許用彎曲應(yīng)力[σ]:[σ]=σb/n式中,σb——材料抗拉強(qiáng)度;
n——安全系數(shù)(考慮軋機(jī)萬向軸受循環(huán)應(yīng)力和較大沖擊,一般取n=5)。
故 [σ]=1483 N/mm2/5=296.6 N/mm2。
根據(jù)危險截面所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,σW<[σ]。
由此可見,選用該型號尺寸萬向軸十字軸符合使用要求。
2.2.1 材料參數(shù)
叉頭材質(zhì):34CrNi3MoA;
σb=805 MPa(經(jīng)調(diào)質(zhì)處理);
單根軸傳遞最大理論轉(zhuǎn)矩公式:T=9.55Pw/n
式中,Pw——驅(qū)動功率,Pw=8000 kW;
n——最小工作轉(zhuǎn)速,n=80 r/min。
計(jì)算得出:T=955 kN·m。
2.2.2 叉頭強(qiáng)度計(jì)算
主要研究回轉(zhuǎn)直徑860 mm十字包組件的叉頭。
叉頭與十字軸組成的十字包組件,在工作過程中,產(chǎn)生支承反力,叉頭體受到彎曲和剪切,一般在與十字軸軸頭中心線成45°的Ⅰ-Ⅰ截面上產(chǎn)生的應(yīng)力最大,可作為強(qiáng)度計(jì)算的危險截面,見圖3十字軸式叉頭有限元分析和圖4十字軸式叉頭受力圖。在危險截面Ⅰ-Ⅰ處,已知萬向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T,可求出作用在叉頭鏜孔上的力P。
圖3 十字軸式叉頭有限元分析
圖4 十字軸式叉頭受力分析
(1)P=2T/L;
式中,十字軸端作用力P的力臂L=588 mm;
萬向軸傳遞最大轉(zhuǎn)矩T=955 kN·m=9.55×108N·mm。
計(jì)算得出:P=3.2×106N。 圖中被計(jì)算的Ⅰ-Ⅰ截面與叉頭軸線間夾角θ=45°,叉頭孔所受的力P,Ⅰ-Ⅰ截面承受彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。為簡化計(jì)算,在計(jì)算危險截面抗彎模量和抗扭模量時,把斷面轉(zhuǎn)化為相似的梯形斷面。
(2)Ⅰ-Ⅰ截面彎矩MW=P×x1
式中,叉頭孔中部作用點(diǎn)到Ⅰ-Ⅰ截面的距離x1=200 mm。
計(jì)算得出:MW=3.2×106×200=6.4×108N·mm。(3)Ⅰ-Ⅰ截面彎曲應(yīng)力為σW=MW/W
式中,Ⅰ-Ⅰ截面抗彎截面系數(shù)W=
危險Ⅰ-Ⅰ截面 C1=250 mm;C2=150 mm;C3=300 mm。
計(jì)算得出:σW=MW/W=6.4×108/7.3×106=87.7 N/mm2。
(4)Ⅰ-Ⅰ截面剪切應(yīng)力為τW=P×x2/WK
式中,叉頭孔中部作用點(diǎn)到Ⅰ-Ⅰ截面對稱中心線距離x2=180 mm。
Ⅰ- Ⅰ截面抗扭截面系數(shù)
系數(shù) γ=(C2+C3)/C1;斷面長寬比,取 γ=0.415。
危險Ⅰ-Ⅰ截面 C1=250 mm;C2=150 mm;C3=300 mm。
計(jì)算得出:τW=P×x2/WK=3.2×106×180/1.17×107=49.2 N/mm2。
(5)由強(qiáng)度理論,可以得出強(qiáng)度條件:
(6)許用彎曲應(yīng)力[σ]:[σ]=σb/n
式中,σb為材料抗拉強(qiáng)度,n為安全系數(shù)(考慮軋機(jī)萬向軸受循環(huán)應(yīng)力和較大沖擊,一般取n=5)。
故[σ]=805/5=161 N/mm2。
根據(jù)危險截面所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,σ<[σ]。
由此可見,選用該型號尺寸萬向軸符合使用要求。
為了保證萬向軸在長期不同的環(huán)境下工作,在設(shè)計(jì)制造上采用了不同形式的密封結(jié)構(gòu)和軸承滾動體布置。裝在十字軸上的滾動軸承是十字軸式萬向軸的又一關(guān)鍵設(shè)部件,在萬向軸選型時要對軸承接觸疲勞壽命進(jìn)行校核。軸承接觸疲勞壽命LN按下式校核:
式中,KL——軸承容量系數(shù),KL=16.18×106;
K1——原動機(jī)系數(shù),電動機(jī)K1=1;
n——最小工作轉(zhuǎn)速,n=80 r/min;
T——理論轉(zhuǎn)矩,T=955 kN·m;
β——最大工作傾角,β=5°;
LNmin——設(shè)計(jì)要求最短壽命。
計(jì)算得:LN=KL×1010/K1×n×β×T10/3=4.7×104h
根據(jù)軸承接觸疲勞壽命計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求的最短壽命。
通過對國產(chǎn)萬向軸的結(jié)構(gòu)組成的分析,對主要部件十字軸、叉頭的受力分析計(jì)算以及軸承疲勞壽命計(jì)算,能夠滿足大扭矩板材軋機(jī)的設(shè)計(jì)壽命要求。興澄中板生產(chǎn)線自投產(chǎn)使用至今,萬向軸使用狀況良好,滿足軋鋼工藝要求,未出現(xiàn)各類重大設(shè)備事故,實(shí)踐證明了國產(chǎn)化萬向軸能夠滿足大扭矩板材軋機(jī)的的使用。
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