論大型寬厚板軋機十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命

趙磊 丁邦權(quán) 陳小星

摘要：大型寬厚板軋機主傳動軸使用的十字軸式萬向聯(lián)軸器主要的作用就是用來傳遞一些比較大的扭矩，使用過程中經(jīng)常會受到工程惡劣、載荷、沖擊等因素影響頻繁出現(xiàn)故障。導致十字軸萬向聯(lián)軸器出現(xiàn)疲勞壽命現(xiàn)象。本文通過分析國內(nèi)某大型寬厚板軋機主傳動軸的十字軸萬向聯(lián)軸器使用情況，估算其疲勞壽命，再與實際情況進行對比，檢測計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;十字軸萬向聯(lián)軸器;疲勞壽命

0? 引言

現(xiàn)在大部分大型寬厚板軋機主傳動系統(tǒng)使用的都是十字軸萬向聯(lián)軸器。但是因為十字軸萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)非常復雜，零件使用時還會因為區(qū)域強度的原因影響整個結(jié)構(gòu)使用壽命。在主傳動系統(tǒng)中最重要的零件就是十字軸萬向聯(lián)軸器，一旦損壞就會影響整個設(shè)備的使用，嚴重的時候還會出現(xiàn)不可挽回的經(jīng)濟損失。本文以國內(nèi)某廠5m軋機十字軸萬向聯(lián)軸器為主作為分析，在了解材料基礎(chǔ)性能參數(shù)之后通過計算的方法得到具體的疲勞壽命，驗證計算方法的有效性。

1? 傳動軸材料的特性參數(shù)曲線

1.1 傳動軸材料應(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，在解決問題的時候最關(guān)鍵的就是要注意材料的循環(huán)加載特性。在計算的時候金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)曲線方程表達式為：

（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)強度系數(shù);n′代表循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。）

通過假設(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)的表達公式。計算過程中如有金屬材料，這些金屬材料在循環(huán)載荷作用下的就會被循環(huán)硬化或者是循環(huán)軟化。

表1所示是某廠5m軋機主傳動接軸具體基礎(chǔ)參數(shù)。

1.2 傳動軸材料的應(yīng)變疲勞壽命特性曲線

機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為：

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

2? 材料疲勞壽命計算方法

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，因為有其兩種因素的存在所以不能通過系統(tǒng)反應(yīng)和疲勞有關(guān)的問題。在預估壽命的時候可以用以下的方式來進行檢測：

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)變法進行壽命計算。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)。當疲勞損傷到一定程度的時候材料就會出現(xiàn)裂紋。

3? 十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命計算

3.1 十字軸萬向聯(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十字軸工作時候的扭矩測試值。

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，所以在進行疲勞分析的時候需要選擇下接軸上的扭矩來進行分析。如圖2所示是300s之內(nèi)的下接軸扭矩曲線圖。

在進行疲勞運算的時候要以一個300s扭矩時間為一個循環(huán)進行分析，計算出十字軸結(jié)構(gòu)能夠承受多少個這樣的載荷。在計算的時候能夠發(fā)現(xiàn)當縱坐標放大到5800倍的時候就能夠得到下接軸的實際扭矩值，所以在計算的時候就需要縮小5800倍在進行計算，這樣就不會影響整個計算的結(jié)果。

3.2 十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命計算的計算結(jié)果

在十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命計算的時候發(fā)現(xiàn)十字軸內(nèi)最嚴重部位的疲勞壽命在6.88×104，因為在計算的時候每次循環(huán)的時間在300s，所以實際的疲勞壽命就是5733.3h，大概是238.9天。在計算的時候還能夠知道叉頭壓蓋最嚴重的地方疲勞壽命能夠達到8.21×104。循環(huán)的時間還是在300s，所以能夠計算出疲勞壽命的時間在6841.7h，就是285.1天。螺栓最嚴重的部位疲勞壽命能夠達到5.6×105，循環(huán)時間為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 十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命計算的結(jié)論

通過疲勞壽命分析能夠知道主傳動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

通過整個對大型寬厚板軋機十字軸萬向聯(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天的時候，并且計算出來的使用壽命與實際使用相符，這說明用這種方法分析出來的結(jié)果是非常有效的，以后在計算大型寬厚板軋機十字軸萬向聯(lián)軸器疲勞壽命的時候就可以用這種方法作為理論計算的輔助工具來進行使用。

參考文獻：

[1]王勤.軋機主傳動系統(tǒng)的扭振分析與建模[J].冶金設(shè)備，2009（4）：6-9.

[2]張忠健.間隙沖擊對軋機主傳動系統(tǒng)扭振影響的研究[D]. 燕山大學，2012.

[3]李明軒，蘇小平.軋機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件疲勞仿真方法研究[J].機械設(shè)計與制造，2015（5）：215-219.

[4]劉海生.CVC軋機主傳動萬向接軸叉頭有限元分析及優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2012（1）：33-35.

[5]關(guān)麗坤，劉偉棟，王寧寧.實測載荷下萬向聯(lián)軸器叉頭疲勞壽命分析[J].機械設(shè)計與制造，2014（1）：131-133.