十字轴式万向联轴器在轧机传动中的应用与改进

发布时间：2013-05-21 浏览次数：618

刘曼远1　张敬贤2　杨佩兰3
（1.邯郸市交通局 运管处，河北 邯郸 056001；2.邯郸职业技术学院 设备处，3.机电系，河北 邯郸 056005） 

　　摘　要：介绍了轧钢机传动中万向轴联轴器的应用和现状以及对其进行的改进研究，简述了目 前几种万向联轴器在使用中存在的优点及不足，提出了改变中问受力元件受力状态，突破传统形式的万向联轴器结构，是新型联轴器在结构上的研究方向，用具体数据说明了使用改进后的万向联轴器的应用情况以及所带来的经济效益。
　　关键词：轧钢机；联轴器；十字轴式万向联轴器
　　联轴器在轧机传动中的应用很多，如轧机主传动系统，一般是：电动机一联轴器一减速机一联轴器一齿轮座一 联轴器一轧机轧辊组成。齿轮座与轧辊间的联轴器，早期采用的多为梅花套筒（即由梅花套筒与梅花轴组成的联轴器），靠梅花套与梅花轴之间的几毫米间隙来补偿两个被连接轴间径向位移和角位移。显然，其传递运动的精度很低，同时存在很大的传动噪声和冲击。但由于这种联轴器结构简单，成本低廉，目前在轧机的初轧机组以及小型钢厂中仍有应用。之后，齿式联轴器代替梅花套式联轴器，在相当长的时间 内得到了应用。 
　　这种联轴器的运动副间存在滑动摩擦，在满足滑动的条件下提高了承载能力和使用寿命。但普通齿式联轴器和鼓形齿式联轴器的径向补偿能力都是有限的，前者许用倾角为3'，后者为1°30'。 
　　在轧钢机中，减速机的中心距是不变的，而轧辊直径则会因磨损修复而变小，这就需要联轴器有较大的径向位移补偿能力和角位移补偿能力，且随着对轧机钢铁产品尺寸精度的不断提高以及负偏差轧制、高刚度轧机的应用，对运动精度也提出了更高的要求。因此，目前除初轧机以外的轧机上的联轴器，多采用万向联轴器。万向联轴器中可分为十字轴式、球笼式、球叉式、三销式、三曲柄式、球铰式、球铰柱塞式等多种结构形式。目前在轧钢机中Z常用的是十字轴式万向联轴器，这种联轴器的许用轴倾角可达15°以上， 双节使用时，能实现瞬时等角速比的万向传动，较好地满足了由于轧辊直径变化所需 的径向位移补偿和角位移补偿需要。 
　　1　十字轴式万向联轴器
　　十字轴式万向联轴器的主要构件由主、被动叉头与十字包组成，传递动力的中间受力元件为十字轴。列入国家标准的十字轴式万 向联轴器有：JB5513 SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器、JB3241 SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和JB3242 SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器。 
　　SWP型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和SWZ型整体轴承座十字轴式万向联轴器，对十字轴的装配比较方便，同时为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择空间，但由于连结的环节较多，工作中故障率较高，使工作的可靠性受到影响，因此选择时受到限制，应用较少；SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴（十字包）采用无螺栓联接，由于连接环节减少，降低了故障率，工作比较可靠，因此使用较普遍。
　　实践证明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式为十字轴的断裂、轴颈表面出现塑性压痕或点蚀剥落。显然，这是由于轴颈上载荷引起的应力超过了材料的弯曲应力极限与接触应力极限所致。因此，为了延长联轴器的使用寿命，应该降低轴颈危险截面的弯曲应力和轴颈表面的接触应力，或者改变中间受力元件的受力状态。 
　　设计这种联轴器时，为了提高总成的承载能力，除了采用高强度材料和采用必要的工艺措施外，在结构设计上总是力求使每个构件都具有Z大的材料实体，但仅就设计结构来看，作为这种联轴器主要受力元件的十字轴，有4个轴颈，一对（2个）轴颈决定了它的承载能力。由于受回转直径尺寸和结构的限制，轴颈的数量及直径的大小不能随意增加，因而追求Z大材料实体的目标是有限度的，承载能力的提高从设计角度也就受到了限制。虽然人们作过各种改进，如采用台阶轴颈，配置2种规格的滚针；在滚针直径与十字轴直径尺寸上重新配置；在十字轴的轴向定位、轴肩定位、轴端定位、轴肩密封等方面进行多次改进，但这些措施对提高联轴器的使用寿命并不显著。另外，当这种联轴器连接两轴的轴端距较短时，由于其关节的轴向尺寸相对较大，只好以减少许用折角来满足短轴端距的要求。如何在限定的回转直径条件下提高十字轴式万向联轴器的承载能力，延长其使用寿命，是设计这一基础部件当前主要的研究方向。
　　2　三叶轴式万向联轴器
　　为提高十字轴式万向联轴器的承载能力，设想将十字轴改成三叶轴，动力不再从十字轴的一对轴颈输入，而是从三叶轴的中间花键孔输入，将三叶轴的3个轴颈均用于力矩的输出，以此提高其承载能力。为此，出现了三叶轴式万向联轴器，这种由三叶轴、球环、三柱槽壳体及中间轴组成的万向节双节使用时，同样具有瞬时等角速度传递动力的功能。三叶轴式万向联轴器的三柱槽壳体上有3个沿 圆周均匀分布的3个柱槽孔，与安装在三叶轴上的3个球环相配合，三叶轴可以在三柱槽壳体内摆动，此时球环既沿柱槽孔表面滚动，同时又沿三叶轴的轴颈移动，从而实现传动过程中的角度补偿。工作时，动力由三柱槽壳体输入，当输入端的三柱槽壳体以等角速度转动时，球环沿椭圆轨迹运动，带动三叶轴绕中间轴将动力传至另一端的三柱槽壳体，实现动力输出。这种联轴器的中间受力元件为三叶轴，由于动力输出轴颈数量的增加，承载能力可较相同规格的十字轴式万向联轴器提高50％。
　　3　球铰T型销式万向联轴器
　　十字轴式万向联轴器的另一种改进是球铰T型销式万向联轴器，它是由内球面体、外球面体组成球关节，在外球面体的外表面沿轴向方向开有数条（视设计承载能力而定）均布的弧形槽，在通过内球面体的球心横截面的内壁上开有相同数目的轴承孔，相应数量的T型销装在内球面体与外球面体之间，作为传递动力的中间元件，T型销的一端装在内球面体的轴承孔内，另一端，则装在外球面体的弧形槽内。工作过程中，T型销的一端在内球面体的轴承孔内摆动，另一端在外球面体的弧形槽内同时作往复移动。球关节具有绕X、Y、Z轴转动的3个自由度，加入T型销后限制了绕其中一个轴的传动，实现了万向传动。
　　这种联轴器在结构上突破了传统的结构形式，在保持原来回转直径不变的情况下，能够跟据承载能力的需要，通过改变T型销数量及相应尺寸的方法来改变其承载能力。也就是说，在与十字轴式万向联轴器的十字轴轴颈相同的条件下，该联轴器的传递动力的中间元件T型销数量可以增加到6个，这对十字轴式万向联轴器来说是不可想象的。另外，更重要的是，这种结构改变了中间元件的受力状态，由原来的十字轴除受接触应力外，主要受弯曲应力转变为以受剪切应力为主；T型销数量的增加，降低了轴颈表面的比压，接触应力大幅度的降低，从而在相同回转直径下，使成倍地提高联轴器的承载能力成为可能。又由于这种联轴器的关节尺寸相对较小，许用的轴倾角可以设计得足够大，以适应相当短的轴端距场合，这是十字轴式万向联轴器所不具备的。
　　4　球铰T型销式万向联轴器的应用效果
　　1999年在某钢铁公司的第8架、第10架连续轧机上进行工业试验，轧辊直径Ø320mm，轧制Ø20~Ø42mm的圆钢与螺纹钢，使用十字轴式万向联轴器的寿命为3 ～4个月，采用球铰T型销式万向联轴器的寿命为7 ～9个月，且运行平稳、可靠。
　　球铰T型销式万向联轴器已完成试制与工业试验，正推向市场，是十字轴式万向联轴器的换代产品，也是机械传动基础部件的一个新品种。
　　参考文献： 
　　[1]徐灏.机械设计手册[Z].北京:机械工业出版社,1991
　　[2]周明衡,常德功.机械传动基础部件标准联轴器手册[Z].沈阳:辽宁科学技术出版社,1995
　　[3]许洪基,陶燕光,雷光.齿轮手册[Z].北京:机械工业出版,2000
　　[4]沅忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南[Z].北京:化学工业出版社,2006

 

来源：《新技术新工艺》2002年08期