論大型寬厚板軋機(jī)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命

趙磊 丁邦權(quán) 陳小星

摘要：大型寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)軸使用的十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器主要的作用就是用來(lái)傳遞一些比較大的扭矩，使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到工程惡劣、載荷、沖擊等因素影響頻繁出現(xiàn)故障。導(dǎo)致十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器出現(xiàn)疲勞壽命現(xiàn)象。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)某大型寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)軸的十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器使用情況，估算其疲勞壽命，再與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)計(jì)算方法是否能夠作為以后參考的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型寬厚板軋機(jī);十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器;疲勞壽命

0? 引言

現(xiàn)在大部分大型寬厚板軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)使用的都是十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器。但是因?yàn)槭州S萬(wàn)向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，零件使用時(shí)還會(huì)因?yàn)閰^(qū)域強(qiáng)度的原因影響整個(gè)結(jié)構(gòu)使用壽命。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的零件就是十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器，一旦損壞就會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的使用，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。本文以國(guó)內(nèi)某廠5m軋機(jī)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器為主作為分析，在了解材料基礎(chǔ)性能參數(shù)之后通過(guò)計(jì)算的方法得到具體的疲勞壽命，驗(yàn)證計(jì)算方法的有效性。

1? 傳動(dòng)軸材料的特性參數(shù)曲線

1.1 傳動(dòng)軸材料應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)特性曲線

結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是指在循環(huán)載荷作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，在解決問(wèn)題的時(shí)候最關(guān)鍵的就是要注意材料的循環(huán)加載特性。在計(jì)算的時(shí)候金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)曲線方程表達(dá)式為：

（其中：？著t代表總應(yīng)變幅值;？著e代表彈性應(yīng)變幅值;？著p代表塑性應(yīng)變幅值;？啄a代表應(yīng)力幅值;E代表彈性模量;K′代表循環(huán)強(qiáng)度系數(shù);n′代表循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。）

通過(guò)假設(shè)能夠把金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)曲線方程式轉(zhuǎn)換成：

特別需要注意的是轉(zhuǎn)換之后的公式就是應(yīng)力應(yīng)變滯回環(huán)的表達(dá)公式。計(jì)算過(guò)程中如有金屬材料，這些金屬材料在循環(huán)載荷作用下的就會(huì)被循環(huán)硬化或者是循環(huán)軟化。

表1所示是某廠5m軋機(jī)主傳動(dòng)接軸具體基礎(chǔ)參數(shù)。

1.2 傳動(dòng)軸材料的應(yīng)變疲勞壽命特性曲線

機(jī)械零部件的疲勞壽命和局部塑性應(yīng)變循環(huán)有著密不可分的關(guān)系。影響塑性應(yīng)變的主要因素包括：零件表面狀態(tài)、局部幾何形式、材料類(lèi)型、載荷形式和載荷大小等。整理數(shù)據(jù)之后能夠知道應(yīng)變-壽命曲線主要可以表達(dá)為：

如圖1所示是利用Jmatpro軟件分析出來(lái)的材料應(yīng)變-壽命曲線。

2? 材料疲勞壽命計(jì)算方法

2.1 材料應(yīng)變壽命的平均應(yīng)力修正

一般在工作的時(shí)候零件承受的循環(huán)載荷都存在相應(yīng)的應(yīng)變和非零均值壓力，因?yàn)橛衅鋬煞N因素的存在所以不能通過(guò)系統(tǒng)反應(yīng)和疲勞有關(guān)的問(wèn)題。在預(yù)估壽命的時(shí)候可以用以下的方式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)：

2.2 Neuber修正法的局部應(yīng)力應(yīng)變法壽命估算

Neuber修正法能夠把基于彈性應(yīng)力的有限元分析結(jié)構(gòu)變成彈塑性應(yīng)力應(yīng)變，轉(zhuǎn)變完成之后在使用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行壽命計(jì)算。修正Neuber公式為：

產(chǎn)生疲勞損傷的主要原因就是完整的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)。當(dāng)疲勞損傷到一定程度的時(shí)候材料就會(huì)出現(xiàn)裂紋。

3? 十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命計(jì)算

3.1 十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞載荷作用的歷程

如表2所示是大型寬厚板軋機(jī)十字軸工作時(shí)候的扭矩測(cè)試值。

從表2上的數(shù)據(jù)能夠知道下接軸所承受的扭矩要比上接軸所承受的扭矩大，所以在進(jìn)行疲勞分析的時(shí)候需要選擇下接軸上的扭矩來(lái)進(jìn)行分析。如圖2所示是300s之內(nèi)的下接軸扭矩曲線圖。

在進(jìn)行疲勞運(yùn)算的時(shí)候要以一個(gè)300s扭矩時(shí)間為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行分析，計(jì)算出十字軸結(jié)構(gòu)能夠承受多少個(gè)這樣的載荷。在計(jì)算的時(shí)候能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱坐標(biāo)放大到5800倍的時(shí)候就能夠得到下接軸的實(shí)際扭矩值，所以在計(jì)算的時(shí)候就需要縮小5800倍在進(jìn)行計(jì)算，這樣就不會(huì)影響整個(gè)計(jì)算的結(jié)果。

3.2 十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命計(jì)算的計(jì)算結(jié)果

在十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命計(jì)算的時(shí)候發(fā)現(xiàn)十字軸內(nèi)最嚴(yán)重部位的疲勞壽命在6.88×104，因?yàn)樵谟?jì)算的時(shí)候每次循環(huán)的時(shí)間在300s，所以實(shí)際的疲勞壽命就是5733.3h，大概是238.9天。在計(jì)算的時(shí)候還能夠知道叉頭壓蓋最嚴(yán)重的地方疲勞壽命能夠達(dá)到8.21×104。循環(huán)的時(shí)間還是在300s，所以能夠計(jì)算出疲勞壽命的時(shí)間在6841.7h，就是285.1天。螺栓最嚴(yán)重的部位疲勞壽命能夠達(dá)到5.6×105，循環(huán)時(shí)間為300s，所以螺旋的疲勞壽命就是46666.7h，也就是在1944.4天。從計(jì)算的結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)大扭矩載荷作用次數(shù)雖然小于小扭矩載荷的作用次數(shù)，但是疲勞破壞的主要原因。

3.3 十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命計(jì)算的結(jié)論

通過(guò)疲勞壽命分析能夠知道主傳動(dòng)軸各處材料的坯料壽命具體的分析結(jié)果，如表3所示。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)整個(gè)對(duì)大型寬厚板軋機(jī)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器分析之后能夠知道在平均載荷作用之后使用壽命最低的是在238.9天的時(shí)候，并且計(jì)算出來(lái)的使用壽命與實(shí)際使用相符，這說(shuō)明用這種方法分析出來(lái)的結(jié)果是非常有效的，以后在計(jì)算大型寬厚板軋機(jī)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器疲勞壽命的時(shí)候就可以用這種方法作為理論計(jì)算的輔助工具來(lái)進(jìn)行使用。

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