接轴

某中板厂万向接轴扁头突然断裂，导致停产。经济损失严重。针对该万向接轴扁头断裂情况，对其断裂原因进行了分析。

2 设备技术性能

允许最大轧制能力矩490kNm，万向接轴的允许最大扭矩为814 kNm，轧机允许最大轧制力为19.6MN。万向接轴联接轴体和扁头半联轴器的格质均为40Cr，热处理方式为调质处理，其硬度为HRC=19.5~26.5，摩擦面采用表面淬火处理，其硬度HRC≥40。

3应力分析

3．1受力分析

中板四辊轧机主传动采用滑块式万向接轴，其结构为开式铰链结构。扁头与叉头的受力简图如图1

3．2有限元分析与计算

我们采用了ANSYS软件对大头和扁头进行了三维有限元计算，叉头共划分31243个单元、7967个节点；扁头共划分8424个单元、10914个节点、方程数为31245个，计算扭矩为814 kNm。其结果如下：

（1） 叉头最大Mises应力发生在过渡圆角区，圆角处存在一定的应力集中，最大Mises应力为101.96MPa，如图2所示

（2）扁头的Mises应力从扁头端部至根部逐渐增加，根部处最大，根部过渡圆角处有应力集中，扁头的最大Mises应力发生在根部过渡圆角处其数值为246Mpa。

从计算的结果看，其应力分布和发生最大应力的位置均与有关文献[1][2]中介绍的同类型万向接轴的有限元计算是相吻合的，更重要的是与实际扁头断裂的位置是完全吻合的。

3．3最大应力分析

扁头有限元计算结果表明在最大静负荷作用下，最大Mises应力发生在扁头根部过渡圆角处，其数值为246Mpa， 这是应力集中的结果。根据我们在对该轧机的测试结果[3]和文献[4]提供的相关数据可知一般在咬钢时扭矩放大倍数为2左右，因此在实际轧钢生产中其最大动应力水平将可能达到500MPa左右，该数值已达到材料的屈服极限(δ=490MPa)。另外，根据我们对该轧机的扭矩测试，其上下万向接轴所承受的轧制扭矩是不相等的，实测结果是下扭矩为上扭矩的一倍，这样下万向轴工作条件更加恶劣，因此在扁头根部过渡圆角处会产生更高的应力水平。根据事故发生的轧制力的记录数据可推算出万向接轴扁头最大计算静应力约为151MPa，考虑到扭矩放大系数和上下万向接轴扭矩的实测结果，则下万向接轴发生断裂时的最大应力约为400MPa左右。该应力水平也已达到材料屈服极限的80%。由此可见，万向接轴的扁头根部过渡圆角处始终处于高应力状态下工作。

4扁头断口分析

4．1 断口宏观分析

从宏观上看，断口具有典型的疲劳断口的宏观特征，图3是疲劳断口的三个区域的示意图：疲劳裂纹起始区（源区）、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。

4．2试样的处理

断口经加工成符合扫描电镜观察的要求后进行必要的清洗以满足分析。断口取样主要在疲劳源区及瞬断区。

4．3电镜下的观察结果

扁头断口微观分析是在JSM-35C扫描电镜上进行的。在疲劳源区未见有任何冶金缺陷，裂纹发生在外表面，在裂源区呈平滑状，具有典型的疲劳源区的机械磨光标志，这说明裂纹已产生一段时间。扩展区呈放射状，裂纹扩展区接近瞬断区的形貌，呈现疲劳引起的贝壳状条纹。观察表明，该区也有少量磨损，这说明疲劳裂纹的扩展区形时间不长，很快就进入瞬断区。瞬断区的形貌，呈现为解理断裂。

4．4裂纹产生的原因

（1）据断面宏观观察，扁头根部过渡圆角处因机加工很粗糙，这与图纸要求相差甚远，这样在加工表面处形的尖锐缺口；另外过渡圆角处的硬度为HRC48，显然是经过淬火处理，这样极易形成淬火裂纹。根据有限元计算结果可知裂源区正好位于板头根部过渡圆角处的应力集中位置。这样在外因和内因的共同作用下，产生的疲劳裂纹。

（2）该厂原设计的生产能力较低，经过多年的技术改造和生产经验的积累现在年产已达到近60万t左右，产量提高很多，但其传动系统并没有变化，因此万向接轴承受非对称脉动循环应为的次数将大大增加。初步估算：一年按60万t计算，并考虑到扭振的作用使脉动应力次数增加，万向接轴一年所承受的应力循环次数达到200万次左右，四年的循环次数将达到800万次左右。根据文献[5]提供的资料可知40Gr在毛坯直径小于100mm、光试件、调质处理，硬度为HRC23~29条件下其弯曲疲劳极限为350MPa，循环基数为1000万次。由于实际的万向接轴尺寸较大、形状变化很大、表面质量很不好；另外，万向接轴实际工作应力高于试验应力；综上所述，其实际疲劳寿命将远低于1000万次。由此可见我们所分析的万向接轴已接近其疲劳寿命，从而造成疲劳裂纹。

十字轴式万向联轴器的改进与应用

十字轴式万向联轴器的改进与应用摘要：swz十字万向接轴承能力达不到设计要求经常出现轴承

螺栓裂纹断裂十字断裂事故影响轧机正常生产通过增大联轴器回转直径轴承螺栓尺寸降低联轴器事故发生采用螺栓改型联轴器螺栓结构swc整体联轴器整体寿命提高1年关键词十字轴式万向联轴器 2002:机床,入世是挑战更是机遇专家指出要加大我国数控机床研发力度加快普及型数控机床的发展漫话中国机床制造业的服务竞争中国铣床和加工中心市场的现状和展望国内外车床的技术水平和发展方向世界加工中心的生产、需求和发展动向国内外机床发展趋势世界数控系统发展趋势切削加工技术和数控机床的发展

摘 要：因swz型十字万向接轴承载能力达不到设计要求，经常出现轴承座螺栓裂纹、断裂及十字轴断裂等事故，影响轧机正常生产。通过增大联轴器回转直径和轴承座螺栓尺寸，降低了联轴器事故的发生；采用6个m39螺栓改型联轴器及无螺栓结构的swc整体式联轴器，整体寿命提高至1年。

关键词：十字轴式万向联轴器；轴承座；螺栓；无螺栓结构

中图分类号：tg333.15 文献标识码：b 文章编号：1004-4620（2005）04-0056-02

1 概 况

济南钢铁股份有限公司中板厂（简称济钢中板厂）2500四辊可逆式轧机建于1989年，设计最大轧制力为29400kn，所配两台直流电机功率为2500kw，设计配用主传动万向接轴承载能力1990kn.m。采用swz型整体轴承座十字轴式万向联轴器，由于该接轴实际承载能力达不到设计要求及生产能力的提高，导致生产运行中该接轴故障和事故频繁。

2 联轴器失效分析及改进

原接轴采用swz型轴承座式十字轴式万向联轴器，四辊轧机工作辊最小直径为730mm，实际接轴轧辊侧与电机侧十字包回转直径均为710 mm。该万向接轴承载能力只有1225kn.m，大大低于轧机设计配用主传动万向接轴承载能力。

2.1 主要失效形式

2.1.1 轴承座螺栓断裂

轴承座螺栓断裂是最常见的失效形式，轴承座把合螺栓规格小，抗剪抗拉能力小；另外接轴叉头止口接触面积小，止口容易损伤产生间隙并不断扩大。轴承座止口存在间隙是造成接轴螺栓受冲击拉力的重要原因，也是造成螺栓断裂的主要原因。

2.1.2 十字轴断裂

原设计轧辊侧十字包中螺栓与十字轴未能充分利用十字包内空间，十字轴直径仅为177.1mm，轴承座高强度螺栓为m68，部件承载能力不够。

2.1.3 轴承座、叉头根部裂纹

由于叉头、轴承座尺寸较大，形状复杂，表面加工及热处理质量很难控制。轴承座、叉头根部圆角处机加工表面粗糙度与图纸抛光要求相差甚远，加工表面存在微观裂纹，热处理过程中根部过渡圆角处残余应力较高，极易形成裂纹。

2.2 改进措施

2.2.1 增大轴承座螺栓规格，改进止口尺寸

通过增大轴承座螺栓规格，轧辊侧由m68增大到m72，后又增大到m76，电机侧增大到m95，提高了螺栓抗剪抗拉能力。改进止口尺寸，加高传递键，增加承载接触面积，降低止口面损伤产生的间隙，改善降低螺栓受冲击情况，提高螺栓寿命。

2.2.2 充分利用空间，加大十字包回转直径 轧机侧十字包回转直径由710 mm增至724mm，电机侧则根据承载能力加大到850mm，为十字包部件加大提供了可能，提高了承载能力。

2.3 改进效果

采取以上措施后，万向联轴器从1996年底开始使用，近3年时间内，传动接轴共发生事故7起,，其中断螺栓事故4起（因螺栓材质问题而产生的事故2起），花键套开裂1起，叉头开裂1起，十字轴滚珠碎1起。而改造前的1996年，仅断螺栓事故一项就20多起，因而接轴的改造为济钢中板厂生产水平的逐年提高提供了保证。

3 新型联轴器的应用

3.1 新型swz轴承座式联轴器的应用

由于轧辊侧受回转半径的限制，原来的swz型联轴器己无法进一步提高承载能力，新型swz联轴器将原来2个m76轴承座螺栓改为6个m39螺栓。

其主要特点如下：

（1）将轴承座联结用螺栓改为多数量、小规格形式，改善螺栓受力状况；原设计轴承座每边只有一个螺栓，使轴承座与叉头接合部位预紧力不均，尤其是接轴径向不能承受力矩；

（2）十字轴接合部取消阶梯轴，改为大圆弧过渡设计，减少了应力集中，充分利用了十字包内部空间，十字轴直径为200mm，增大了承载能力；

（3）轴承座的键槽采用合理的宽深比，提高传动扭矩，减少轴承座键槽开裂现象；

（4）接轴叉头十字瓣为整体式，提高十字包的整体强度。

改进后的万向联轴器承载能力为2500kn.m，达到了设计要求。于2001年9月投入使用，效果良好，使用寿命达到1年以上。

3.2 新型 swc整体式联轴器的应用

为解决电机侧万向联轴器在长期使用中出现的轴承座、花键套、法兰根部裂纹及螺栓、十字轴断裂问题，于2002年4月投用了新型swc整体式十字万向联轴器（无螺栓结构）。

该联轴器具有以下特点：

（1）采用整体式叉头结构，大圆弧过渡设计，减少应力集中，消除了swz型根部裂纹及螺栓断裂问题；

（2）由于不存在联接螺栓，因而有可能加大十字包（十字轴和轴承组件）尺寸，在回转直径φ850mm情况下，十字轴直径可做到φ256mm，十字包承载能力可达到2600 kn.m，符合设计要求；

（3）十字轴定位采用卡环结构，两侧间隙控制在10μm之内，定位牢固可靠；

（4）采用模块化设计，模块间采用端齿法兰联接，更换方便。

电机侧采用新型swc整体叉头十字轴式万向联轴器后，整体寿命由原来的半年提高到1年以上，为轧机的正常生产提供了保障。

1.联轴器失效分析及改进

原接轴采用swz型轴承座式十字轴式万向联轴器，四辊轧机工作辊最小直径为730mm，实际接轴轧辊侧与电机侧十字包回转直径均为710 mm。该万向接轴承载能力只有1225kn.m，大大低于轧机设计配用主传动万向接轴承载能力。

轴承座螺栓断裂是最常见的失效形式，轴承座把合螺栓规格小，抗剪抗拉能力小；另外接轴叉头止口接触面积小，止口容易损伤产生间隙并不断扩大。轴承座止口存在间隙是造成接轴螺栓受冲击拉力的重要原因，也是造成螺栓断裂的主要原因。

原设计轧辊侧十字包中螺栓与十字轴未能充分利用十字包内空间，十字轴直径仅为177.1mm，轴承座高强度螺栓为m68，部件承载能力不够。

由于叉头、轴承座尺寸较大，形状复杂，表面加工及热处理质量很难控制。轴承座、叉头根部圆角处机加工表面粗糙度与图纸抛光要求相差甚远，加工表面存在微观裂纹，热处理过程中根部过渡圆角处残余应力较高，极易形成裂纹。

2 改进措施

通过增大轴承座螺栓规格，轧辊侧由m68增大到m72，后又增大到m76，电机侧增大到m95，提高了螺栓抗剪抗拉能力。改进止口尺寸，加高传递键，增加承载接触面积，降低止口面损伤产生的间隙，改善降低螺栓受冲击情况，提高螺栓寿命。

采取以上措施后，万向联轴器从1996年底开始使用，近3年时间内，传动接轴共发生事故7起,，其中断螺栓事故4起（因螺栓材质问题而产生的事故2起），花键套开裂1起，叉头开裂1起，十字轴滚珠碎1起。而改造前的1996年，仅断螺栓事故一项就20多起，因而接轴的改造为济钢中板厂生产水平的逐年提高提供了保证。

3 新型联轴器的应用

3.1 新型swz轴承座式联轴器的应用

由于轧辊侧受回转半径的限制，原来的swz型联轴器己无法进一步提高承载能力，新型swz联轴器将原来2个m76轴承座螺栓改为6个m39螺栓。

其主要特点如下：

（1）将轴承座联结用螺栓改为多数量、小规格形式，改善螺栓受力状况；原设计轴承座每边只有一个螺栓，使轴承座与叉头接合部位预紧力不均，尤其是接轴径向不能承受力矩；

（2）十字轴接合部取消阶梯轴，改为大圆弧过渡设计，减少了应力集中，充分利用了十字包内部空间，十字轴直径为200mm，增大了承载能力；

（3）轴承座的键槽采用合理的宽深比，提高传动扭矩，减少轴承座键槽开裂现象；

（4）接轴叉头十字瓣为整体式，提高十字包的整体强度。

改进后的万向联轴器承载能力为2500kn.m，达到了设计要求。于2001年9月投入使用，效果良好，使用寿命达到1年以上。

3.2 新型 swc整体式联轴器的应用

为解决电机侧万向联轴器在长期使用中出现的轴承座、花键套、法兰根部裂纹及螺栓、十字轴断裂问题，于2002年4月投用了新型swc整体式十字万向联轴器（无螺栓结构）。

十字轴式万向联轴器简称万向轴。是应用日益广泛的传动基础件。SWC型万向轴是万向轴族种结构最紧凑，承载能力最大， 可靠性最高的一种型式。 我公司集二十年生产万向轴之经验，学习借鉴

国外先进技术并运用有限元仿真手段，对SWC型万向轴进行了三次换代设计改进， 从而使结构日趋完善，性能显著提高，外形更加美观。而且在JB5513-91产品标准的基础上增加了SWCD—短型系列和具有我公司独立知识产权的专利产品—空心万向轴系列，进一步满足了顾客的多样性需求。 近年来，我公司确立实施了“专心致志，聚精会神，建中国工业万向轴研发生产基地，创赑屃世界知名品牌”的企业定位；坚持了“细节决定成败”的质量理念；并实现了加工设备“专机化、数控化”。从而保证了我公司SWC型万向轴产品质量迅速提高；逐步缩小了与世界著名厂家的差距。进入新世纪以来，我们的万向轴产品已走出国门，大批量出口欧美市场。