推土機萬向節優化設計

劉修超，武占剛

（山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073）

0 引言

萬向節也稱為傳動軸，一般按照萬向節在扭轉方向上是否有明顯的彈性，將萬向節分為剛性萬向節和撓性萬向節。剛性萬向節又可分為不等速萬向節、準等速萬向節和等速萬向節，目前推土機使用的大多數為準等速萬向節。比較常見的等速萬向節為雙聯式萬向節，允許相鄰兩軸的最大交角為15～20°，推土機萬向節的雙聯叉相當于傳動軸及兩端處在同一平面上的萬向節叉，當輸出軸與輸入軸的交角較小時，能使兩軸角速度接近相等。但由于發動機的啟動或者轉速突然加大時，萬向節會受到瞬間的大扭矩。對其結構進行受力分析，得出萬向節的應力及變形分布狀況，以此為依據改進萬向節的焊縫結構。

1 萬向節焊縫開裂故障

萬向節兩端為鍛造的連接叉，中間用一根鋼管套住兩端連接叉，連接叉與鋼管連接處為焊縫，萬向節結構及開裂位置如圖1所示。

圖1 萬向節結構及開裂位置示意

根據某品牌的一臺推土機在早期磨合階段出現的故障情況進行分析，該推土機萬向節斷裂時，整機作業時間共228 h，萬向節實物斷裂部位如圖2所示。從照片可清楚地看出裂紋的位置為一側焊縫處，產生裂紋前未發生塑性變形，說明萬向節的宏觀缺陷是裂紋源。從裂紋靠近焊縫初步推斷，裂紋源應為焊接缺陷。

圖2 萬向節開裂實物

2 萬向節受力分析

2.1 萬向節結構

萬向節是傳遞動力與輸出扭矩的重要部件，結構如圖3所示，其中連接叉為鍛造件，鋼管材料為45#鋼，截面形狀為圓形，為提高其承載能力，鋼管壁厚4 mm，外徑89 mm，鋼管兩端分別套在連接叉上，連接處為焊接加工。

圖3 萬向節結構

2.2 萬向節應力分析

根據萬向節三維模型，設立有限元三維分析模型。按照萬向節載荷分析情況和靜力平衡條件建立結構的有限元分析方程式。受力分析結果如圖4所示。應力分布圖顯示萬向節最大應力不在開裂部位，說明此萬向節不是設計強度不足，而是可能存在制造缺陷，尤其是焊縫部位可能存在焊接缺陷。

圖4 萬向節應力分布

3 廠家調研

經生產廠家現場檢查，萬向節鋼管的規格是89 mm（外徑）×4 mm（壁厚）的20#鋼，管壁薄，兩焊縫距離19 mm，在工藝上實現這種焊接難度很大（圖5）。焊縫處溫度1000℃，當一焊縫焊接完畢后無法焊接第二個焊縫，并且焊縫周圍都是熱影響區，結構強度遠遠不夠，原材料采用國內大鋼焊縫易形成虛焊，即未焊透。對1件在制品進行探傷，探傷報告表明萬向節焊縫存在虛焊缺陷。

圖5 廠家焊接成型的萬向節

4 萬向節開裂原因判定

通過有限元受力分析及現場調研，可以判定萬向節開裂原因：①生產廠家采取的焊接工藝方法不合理，形成未焊透結果；②鋼管規格及材質問題。

5 分析及改善

進一步分析開裂焊縫結構，對廠家采取的兩道焊接工序及所用鋼管規格分析后進行優化改進，在原來基礎上取消鋼管，加長兩端的連接叉保證萬向節使用的安裝尺寸后，將兩連接叉焊接在一起，由原來的兩道焊縫優化成一道焊縫，在連接叉拼接焊結合面處打坡口。圖6為改進后加工成型的萬向節，圖7為改進后的焊縫坡口。

圖6 改善后的萬向節

圖7 焊接坡口形式

改進后的焊縫坡口焊接時可以很方便的送到焊縫根部，根部在電弧的作用下熔化，不再產生虛焊現象，減少焊接缺陷的產生。對改進后的焊縫進行探傷（圖8），探傷數據結果（表1）顯示焊縫探傷合格。

圖8 焊縫探傷區域

表1 探傷報告

6 結語

通過對萬向節的受力和焊縫的討論分析及現場調研，找出萬向節開裂的原因，根據分析結果進行改進，取得了預期的效果。