吴锋
摘 要：该文介绍了3 500 mm炉卷轧机国产万向接轴的选型设计，介绍水平布置万向接轴的设计和应用，实践证明，国产水平布置万向接轴完成能够满足大功率大扭矩板材轧机使用，对于提高炉卷轧机主万向接轴的承载能力具有十分重要的意义。
关键词：炉卷轧机 万向接轴 分析
中图分类号：TG337 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0043-02
兴澄3500炉卷线是从意大利DANIELI进口的全套设备，一台炉卷轧机，年产量为120万t。炉卷轧机万向接轴两端为十字轴式，主电机端回转直径为1 000 mm，轧辊端回转直径为860 mm。
1 概述
炉卷轧机万向接轴总长度（12 500±300）mm，伸缩量150 mm，轧机主电机功率8 000 kW，电机转速0/±85/220 rpm，公称转矩4 900 kN·m，最大倾角5°。万向接轴分上下两种、分别与上、下辊配套使用，上下两种结构尺寸均相同，分别由辊端关节、短轴、中间轴、电机端关节、辊端轴套、电机端连接法兰6部分组成。万向接轴采用单元化结构、将关节、短轴、中间轴部分、辊端轴套、电机端连接法兰设计成独立单元。各单元之间使用端面齿和12.9级高强度螺栓连接，各单元之间可单独更换，拆装方便。
2 设计及加工工艺
根据主电机转速功率、扭矩和电机与辊端距离，万向接轴水平布置能满足轧制扭矩要求。
2.1 关键零件材料及加工工艺
（1）关键零件材料：十字轴：材质20Cr2Ni4A锻件，叉头：材质34CrNi3MoA，托架轴：材质40CrNiMoA锻件，辊端轴套、电机端连接法兰：材质42CrMoA锻件。
（2）主要零件制造工艺：十字轴工艺：锻造—正火—打中心孔—粗车—半精车—钻油孔—精车—铣—超声波探伤—渗碳淬火—磨中心孔—磨外园、端面—磁粉探伤—上油入库；法兰叉头工艺：铸造—退火—粗车—调质—精车—超声波探伤—铣端面齿—钻攻螺孔—粗镗轴承孔—精镗轴承孔—磁粉探伤—上油入库。
2.2 强度分析和计算
2.2.1 十字轴弯曲强度
十字轴材料选用20Cr2Ni4A，经渗碳淬火后，表面硬度达HRC58～64。十字轴轴颈的主要失效形式是轴颈在轴肩处的弯曲强度不足，其弯曲强度条件为：
N/mm2
Tc为联轴器的计算转矩，N·mm；
R为十字轴中心到轴颈中部的距离，mm；
S为轴颈中部至轴肩的距离，mm；
d为危险截面直径，mm；
di为轴颈内油孔直径，mm；
[σμ]为十字轴材料的许用弯曲应力。
一般取[σμ]=σs/3，N/mm2；
σs为十字轴材料的屈服极限，N/mm2。
经计算结果如表1。
结果表明：[σμ]/σ=5.47，可见设计是合理的。
2.2.2 叉头强度校核
叉头与十字轴组成的联接支承，在联轴器工作过程中，产生支承反力，叉头体受到弯曲和剪切，一般在与十字轴轴头中心线成45°的截面NN上产生的应力最大，可作为强度计算时的危险截面，危险截面的形状比较复杂，为了简化计算，根据实际情况，我们将其转化为椭圆形截面。
NN截面上的弯曲应力：
N/mm2
NN截面上的剪切力：
N/mm2
式中：F为作用于叉头孔上的力（N）；
c为叉头孔上力作用点至NN截面距离（mm）；
a为叉头孔上力作用点至NN截面对称中心线距离（mm）；
W为NN截面的抗弯模量（mm3）。
W
WT为NN截面的抗扭模量（mm3）。
WT
h、b分别为椭圆的长、短半轴长度（mm）。
由强度理论，可得其强度条件：
≤N/mm2
式中：为叉头材料的许用应力（N/mm2）。
对于经调质处理的34CrNi3MoA材料，其σb=805N/mm2。
叉头强度校核计算的结果如表2：
满足強度要求，设计正确合理。
2.2.3 叉头有限元分析
应力图解如图1。通过有限元分析，法兰叉头的安全系数为5.07，大于5，设计安全可靠。
3 结语
兴澄3500炉卷线2010年4月份正式投产，投产至今万向接轴使用情况良好，达到设计使用寿命，满足轧钢工艺扭矩要求，未出现各类重大设备事故。实践证明，国产水平布置万向接轴完成能够满足大功率大扭矩板材轧机使用。
参考文献
[1]机械设计手册联合编写组.机械设计手册[M].北京化学工业出版社，1987.
[2]施东成.轧钢机械设计方法[M].北京：冶金工业出版社，1993.
