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萬向接軸是軋鋼機(jī)主傳動(dòng)中的關(guān)鍵部件，用于傳遞軋制力矩。由于受空間的限制，萬向接軸的尺寸較小，一般接軸直徑要比軋輥直徑小5～15mm或?yàn)檐堓伱x直徑的85%～95%，這使得萬向接軸往往成為主傳動(dòng)裝置中強(qiáng)度最小的部件，需要對其進(jìn)行有限元分析。當(dāng)前，國內(nèi)外大型軋機(jī)接軸斷裂事故屢見不鮮，如某初軋廠的初軋機(jī)滑塊式萬向接軸扁頭斷裂、某1700熱軋廠R1軋機(jī)滑塊式萬向接軸扁頭斷裂、某中板廠2800四輥軋機(jī)十字軸式萬向接軸斷裂事故等，國外的接軸事故也時(shí)有報(bào)道。常用的萬向接軸有滑塊式萬向接軸和十字軸式萬向接軸二種。其中十字軸式萬向接軸具有傳動(dòng)效率高、傳遞扭矩大、傳動(dòng)平穩(wěn)、潤滑條件好、噪音低、使用壽命長、允許傾角大和適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來，它已越來越多地應(yīng)用于軋鋼機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)上，并有逐步取代滑塊式萬向接軸的趨勢。
十字軸式接軸在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的事故有十字軸的折斷，軸承座安裝螺栓的松動(dòng)或拉斷，叉形座根部裂紋及十字軸表面壓痕等。所有這些均和其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝不合理有關(guān)。本文以某廠2800中板軋機(jī)的十字軸式接軸為例對其中主要問題進(jìn)行探討。
十字軸整體上的受力可簡化為大小相同、方向相反的二對力偶(圖1)。這兩對力偶矢量處于主動(dòng)軸與被動(dòng)軸所決定的平面內(nèi)。如不計(jì)兩軸傾角(可忽略)，則構(gòu)成兩力偶的力均處于十字軸軸線平面內(nèi)。
在十字軸的每個(gè)軸頭上，軸承座給予的壓力由滾針軸承施加，在分析模型上設(shè)該力在沿軸向的滾子有效接觸長度上均勻分布(研究表明，在傳遞力矩一定的情況下，力在軸頭軸向的分布對其根部危險(xiǎn)斷面處的應(yīng)力水平影響不大)。在軸頭每個(gè)斷面的圓周方向，只有半圈內(nèi)的滾動(dòng)體承受負(fù)荷(圖2)，而各滾動(dòng)體承受負(fù)荷的大小是不同的，中間的滾動(dòng)體受力大，為Fmax，兩則各滾子受力分別為F1…Fn，逐漸減小，處在水平位置的滾動(dòng)體完全不受力。各力與軸承負(fù)荷作用線所成的角度分別為h，2h，…，nh(nh≤90°)。
由于十字軸結(jié)構(gòu)和載荷均是對稱的(圖1)，其變形后相鄰軸頭兩兩并攏或分開，但其間的45°對稱面仍保持為平面，且沿垂直于平面的方向無相對位移，即該對稱面上的點(diǎn)僅在該平面內(nèi)移動(dòng)。因此，對十字軸進(jìn)行力學(xué)分折時(shí)可以僅研究由兩個(gè)45°對稱面剖分析1/4十字軸，每一部分為一個(gè)根部(45°對稱面)無垂直移動(dòng)的懸臂梁。圖3為某2800中板軋機(jī)的接軸十字軸模型，模型中軸頭根部的兩個(gè)過渡角分別為RA=10mm，RB=2.5mm，均等于相應(yīng)的臺(tái)肩高度。
計(jì)算時(shí)采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元和六節(jié)點(diǎn)三棱柱單元(邊角處)。為保證其力學(xué)等價(jià)，對在45°對稱面和中分面等對稱剖分面上的點(diǎn)施加相應(yīng)的垂直約束。
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