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        十字型萬向接軸有限元分析及結構優化

        發布于:2021-11-02 18:52
        有限元分析

               萬向接軸是軋鋼機主傳動中的關鍵部件,用于傳遞軋制力矩。由于受空間的限制,萬向接軸的尺寸較小,一般接軸直徑要比軋輥直徑小5~15mm或為軋輥名義直徑的85%~95%,這使得萬向接軸往往成為主傳動裝置中強度最小的部件,需要對其進行有限元分析。當前,國內外大型軋機接軸斷裂事故屢見不鮮,如某初軋廠的初軋機滑塊式萬向接軸扁頭斷裂、某1700熱軋廠R1軋機滑塊式萬向接軸扁頭斷裂、某中板廠2800四輥軋機十字軸式萬向接軸斷裂事故等,國外的接軸事故也時有報道。常用的萬向接軸有滑塊式萬向接軸和十字軸式萬向接軸二種。其中十字軸式萬向接軸具有傳動效率高、傳遞扭矩大、傳動平穩、潤滑條件好、噪音低、使用壽命長、允許傾角大和適用于高速運轉等優點,近年來,它已越來越多地應用于軋鋼機主傳動系統上,并有逐步取代滑塊式萬向接軸的趨勢。
               十字軸式接軸在生產中經常出現的事故有十字軸的折斷,軸承座安裝螺栓的松動或拉斷,叉形座根部裂紋及十字軸表面壓痕等。所有這些均和其結構設計及制造工藝不合理有關。本文以某廠2800中板軋機的十字軸式接軸為例對其中主要問題進行探討。
               十字軸整體上的受力可簡化為大小相同、方向相反的二對力偶(圖1)。這兩對力偶矢量處于主動軸與被動軸所決定的平面內。如不計兩軸傾角(可忽略),則構成兩力偶的力均處于十字軸軸線平面內。
               在十字軸的每個軸頭上,軸承座給予的壓力由滾針軸承施加,在分析模型上設該力在沿軸向的滾子有效接觸長度上均勻分布(研究表明,在傳遞力矩一定的情況下,力在軸頭軸向的分布對其根部危險斷面處的應力水平影響不大)。在軸頭每個斷面的圓周方向,只有半圈內的滾動體承受負荷(圖2),而各滾動體承受負荷的大小是不同的,中間的滾動體受力大,為Fmax,兩則各滾子受力分別為F1…Fn,逐漸減小,處在水平位置的滾動體完全不受力。各力與軸承負荷作用線所成的角度分別為h,2h,…,nh(nh≤90°)。
               由于十字軸結構和載荷均是對稱的(圖1),其變形后相鄰軸頭兩兩并攏或分開,但其間的45°對稱面仍保持為平面,且沿垂直于平面的方向無相對位移,即該對稱面上的點僅在該平面內移動。因此,對十字軸進行力學分折時可以僅研究由兩個45°對稱面剖分析1/4十字軸,每一部分為一個根部(45°對稱面)無垂直移動的懸臂梁。圖3為某2800中板軋機的接軸十字軸模型,模型中軸頭根部的兩個過渡角分別為RA=10mm,RB=2.5mm,均等于相應的臺肩高度。
               計算時采用八節點六面體等參數單元和六節點三棱柱單元(邊角處)。為保證其力學等價,對在45°對稱面和中分面等對稱剖分面上的點施加相應的垂直約束。



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