興澄特鋼3?500?mm爐卷軋機國產萬向接軸選型設計分析

吳鋒

摘 要：該文介紹了3 500 mm爐卷軋機國產萬向接軸的選型設計，介紹水平布置萬向接軸的設計和應用，實踐證明，國產水平布置萬向接軸完成能夠滿足大功率大扭矩板材軋機使用，對于提高爐卷軋機主萬向接軸的承載能力具有十分重要的意義。

關鍵詞：爐卷軋機 萬向接軸 分析

中圖分類號：TG337 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0043-02

興澄3500爐卷線是從意大利DANIELI進口的全套設備，一臺爐卷軋機，年產量為120萬t。爐卷軋機萬向接軸兩端為十字軸式，主電機端回轉直徑為1 000 mm，軋輥端回轉直徑為860 mm。

1 概述

爐卷軋機萬向接軸總長度（12 500±300）mm，伸縮量150 mm，軋機主電機功率8 000 kW，電機轉速0/±85/220 rpm，公稱轉矩4 900 kN·m，最大傾角5°。萬向接軸分上下兩種、分別與上、下輥配套使用，上下兩種結構尺寸均相同，分別由輥端關節、短軸、中間軸、電機端關節、輥端軸套、電機端連接法蘭6部分組成。萬向接軸采用單元化結構、將關節、短軸、中間軸部分、輥端軸套、電機端連接法蘭設計成獨立單元。各單元之間使用端面齒和12.9級高強度螺栓連接，各單元之間可單獨更換，拆裝方便。

2 設計及加工工藝

根據主電機轉速功率、扭矩和電機與輥端距離，萬向接軸水平布置能滿足軋制扭矩要求。

2.1 關鍵零件材料及加工工藝

（1）關鍵零件材料：十字軸：材質20Cr2Ni4A鍛件，叉頭：材質34CrNi3MoA，托架軸：材質40CrNiMoA鍛件，輥端軸套、電機端連接法蘭：材質42CrMoA鍛件。

（2）主要零件制造工藝：十字軸工藝：鍛造—正火—打中心孔—粗車—半精車—鉆油孔—精車—銑—超聲波探傷—滲碳淬火—磨中心孔—磨外園、端面—磁粉探傷—上油入庫；法蘭叉頭工藝：鑄造—退火—粗車—調質—精車—超聲波探傷—銑端面齒—鉆攻螺孔—粗鏜軸承孔—精鏜軸承孔—磁粉探傷—上油入庫。

2.2 強度分析和計算

2.2.1 十字軸彎曲強度

十字軸材料選用20Cr2Ni4A，經滲碳淬火后，表面硬度達HRC58～64。十字軸軸頸的主要失效形式是軸頸在軸肩處的彎曲強度不足，其彎曲強度條件為：

N/mm2

Tc為聯軸器的計算轉矩，N·mm；

R為十字軸中心到軸頸中部的距離，mm；

S為軸頸中部至軸肩的距離，mm；

d為危險截面直徑，mm；

di為軸頸內油孔直徑，mm；

[σμ]為十字軸材料的許用彎曲應力。

一般取[σμ]=σs/3，N/mm2；

σs為十字軸材料的屈服極限，N/mm2。

經計算結果如表1。

結果表明：[σμ]/σ=5.47，可見設計是合理的。

2.2.2 叉頭強度校核

叉頭與十字軸組成的聯接支承，在聯軸器工作過程中，產生支承反力，叉頭體受到彎曲和剪切，一般在與十字軸軸頭中心線成45°的截面NN上產生的應力最大，可作為強度計算時的危險截面，危險截面的形狀比較復雜，為了簡化計算，根據實際情況，我們將其轉化為橢圓形截面。

NN截面上的彎曲應力：

N/mm2

NN截面上的剪切力：

N/mm2

式中：F為作用于叉頭孔上的力（N）；

c為叉頭孔上力作用點至NN截面距離（mm）；

a為叉頭孔上力作用點至NN截面對稱中心線距離（mm）；

W為NN截面的抗彎模量（mm3）。

W

WT為NN截面的抗扭模量（mm3）。

WT

h、b分別為橢圓的長、短半軸長度（mm）。

由強度理論，可得其強度條件：

≤N/mm2

式中：為叉頭材料的許用應力（N/mm2）。

對于經調質處理的34CrNi3MoA材料，其σb=805N/mm2。

叉頭強度校核計算的結果如表2：

滿足強度要求，設計正確合理。

2.2.3 叉頭有限元分析

應力圖解如圖1。通過有限元分析，法蘭叉頭的安全系數為5.07，大于5，設計安全可靠。

3 結語

興澄3500爐卷線2010年4月份正式投產，投產至今萬向接軸使用情況良好，達到設計使用壽命，滿足軋鋼工藝扭矩要求，未出現各類重大設備事故。實踐證明，國產水平布置萬向接軸完成能夠滿足大功率大扭矩板材軋機使用。

參考文獻

[1] 機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊[M].北京化學工業出版社，1987.

[2] 施東成.軋鋼機械設計方法[M].北京：冶金工業出版社，1993.