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軸承知識

十字軸式萬向接軸故障分析和強度提升對策

2020-05-27
石山 焦自金 王建軍 呂傳偉 王書磊
(萊蕪鋼鐵股份有限公司型鋼廠)
  摘 要:本文闡述了十字軸式萬向接軸的結構和使用中的主要故障,分析了故障產生的原因,并相應提出了提高接軸強度、延長使用壽命的對策和措施。
  關鍵詞:萬向接軸;故障;強度提升;對策
  1 引言
  軋機接軸是軋機傳動系統的關鍵部件。現代軋機主傳動中常用萬向接軸有滑塊式和十字軸式萬向接軸。十字軸式萬向接軸因其傳動效率高、傳遞扭矩大、傳動平穩等優點得到廣泛使用。十字軸式萬向接軸根據十字軸軸承座形式的不同,又分為整體叉頭式和分體軸承座式。我廠中型H型鋼生產線萬能軋機就選用了十字軸分體軸承座式萬向接軸。該生產線是20世紀90年代投產的一條短應力緊湊型萬能軋機生產線,全部采用進口設備,并采用了兩級計算機控制,自動化程度高,具有當代國際先進水平。在幾年的運行使用中,該接軸經常出現部件損壞,成為設備穩定運行的薄弱環節。我們通過認真總結分析,逐步摸索并實施了一些提高接軸強度、延長使用壽命的措施,有效地緩解了接軸對生產的制約,保證了生產的連續運行。
  2 接軸結構和故障現象
  2.1接軸結構
  我廠采用的十字軸式萬向接軸結構和十字包組件如圖1和圖2所示。
  2.2故障現象
  我廠裝機運行的16根萬向接軸在運行過程中頻繁出現故障,僅2003年一年中出現故障18次,影響生產2382min。其故障主要表現為:
  (1)接軸十字包螺栓頻繁斷裂。接軸螺栓在螺栓根部和螺紋收尾末端發生斷裂,造成接軸傳動失效。
  (2)接軸十字軸斷裂。十字軸根部斷裂和軸頭異常磨損,造成接軸傳動失效。
  (3)軋機上下線困難。接軸套筒異常磨損,軋輥扁頭和接軸套筒軋機。
  3 原因分析和相應對策
  十字軸和螺栓斷裂故障產生的直接原因是十字軸和接軸螺栓強度不足;其次是十字軸與軸承座、軸承座與接軸本體以及套筒和軋輥之間存在間隙,在運轉中產生的沖擊負載,這種沖擊負載加劇了螺栓和十字軸的斷裂。造成軋機上下線困難的原因,一是套筒加工公差偏小;二是套筒和軋輥接觸面內進入鐵屑等產生擠壓滑傷。
  3.1針對以上原因我們采取以下對策
  (1)優化螺栓材質。認真做好熱處理工藝檢驗,保證螺栓調質后回火索氏體的比例。接軸螺栓的材質應具有良好的淬透性,以保證螺紋截面的芯部在淬火后回火前得到90%左右的馬氏體組織。故采用合金結構鋼35CrMo,該材質強度、韌性和淬透性均高,完全滿足上述要求,調質處理后的螺栓金相組織可不存在塊狀鐵素體,全部為索氏體組織。
  (2)提高螺栓頭部堅固性。接軸螺栓斷裂多數是頭部斷裂,說明頭部堅固性不足。加大頭部過渡圓角尺寸,提高螺栓頭部的堅固性,以U1螺栓M58×3為例,我們將頭部圓角由R3改為R3.5,有效降低應力集中系數。
  (3)優化螺紋加工工藝避免負荷集中。
  1)控制螺紋公差,均勻螺栓負荷,減少負荷集中。因為螺栓預緊后,螺紋部分的負荷呈倒錐狀分布,螺紋尾部負荷是其頭部負荷的1.3~1.5倍,造成螺栓頭部和尾部負荷不均勻,從而影響螺栓壽命。對此我們實施了修改螺紋加工公差的方法:一是加大螺紋頭部尺寸;減小螺紋尾部尺寸。使預緊后螺紋負荷部分呈矩形,達到避免螺紋尾部負荷集中目的。修改前后負荷變化情況如圖3所示。
  2)延長螺栓收尾長度,減少應力集中。我們根據不同的螺栓規格,將接軸螺栓螺紋收尾尺寸增大為2.5P(P為螺距),有效減少因應力集中造成的螺紋尾部斷裂。實施以后,未出現接軸螺栓螺紋尾部斷裂情況。
  (4)控制十字包端面兩個間隙。接軸十字包與十字軸之間的間隙大小直接影響接軸螺栓孔距,而孔距的誤差將會對接軸螺栓施加額外的彎曲荷載,直接影響接軸螺栓壽命,我們采用在十字軸和十字包之間加調整墊片的方法,對孔距進行逐個調整,將十字包上接軸螺栓孔距控制在0.20~0.45mm之間(U5~U1軋機),消除附加荷載。
  (5)嚴格控制軸承座和接軸本體連接鍵的配合間隙。接軸本體與十字包聯接鍵槽的間隙存在(圖4),增加了運轉過程中十字包翻轉對接軸螺栓的彎曲荷載。一是選用較緊的H7/m6過渡配合公差;二是維修拆裝過程中,涂抹鎖固劑,彌補磨損間隙。可以減少這種翻轉產生的彎曲荷載。
  (6)控制接軸套筒最大磨損值,減少接軸運轉中十字軸和螺栓的沖擊負荷。接軸套筒端向簡圖如圖5所示。
  接軸套筒和軋輥扁頭間的間隙設計值為:0.35~0.60mm。接軸在運行一段時間(三個月左右)后,接軸套筒的兩個圓弧面就出現不同程度的磨損,最大值達5mm。套筒和軋輥之間的這個間隙使接軸每運轉一周產生兩次擺動位移,對十字軸和螺栓造成兩次沖擊負荷,加劇了十字軸和螺栓的損壞。接軸套筒和軋輥扁頭間的間隙設計值為:0.35~0.60mm。接軸在運行一段時間(三個月左右)后,接軸套筒的兩個圓弧面就出現不同程度的磨損,最大值達5mm。套筒和軋輥之間的這個間隙使接軸每運轉一周產生兩次擺動位移,對十字軸和螺栓造成兩次沖擊負荷,加劇了十字軸和螺栓的損壞。我們主要采取:一是對套筒內表面進行熱處理以提高表面硬度、提高耐磨性,減少磨損,延長使用時間;二是嚴格控制磨損值,定期進行測量,超標套筒下線修復,保證磨損量不超過2.5mm,盡量降低沖擊負荷。
  (7)嚴格控制接軸套筒制造公差,建立軋輥扁頭離線測量和上線清理制度,避免軋機上下線困難。套筒與扁頭間隙過大產生沖擊,而過小則造成軋輥插入困難,影響軋機上線。對此,我們主要是套筒內孔制造公差優化為:370+0.45/+0.6mm和265+0.35/+0.5mm。同時在軋輥首次車削時對扁頭進行尺寸和對稱度測量,嚴格保證其在設計公差內。堅持軋輥每次上線前進行徹底清洗和涂抹甘油,減少雜物進入,改善潤滑條件。
  4 結論
  通過以上技術改進和控制措施,接軸強度顯著提升,運行穩定性與可靠性得到了保證,使用壽命明顯延長,減輕了對產能提升的制約,保障了生產的連續穩定運行。同時也大大減少了維護和檢修工作量,降低了職工勞動強度。
  參考文獻
  [1]機械設計手冊第3版.北京:化學工業出版社,1998
  [2]機械零件設計手冊第3版.北京:冶金工業出版社,1995
來源:《中國鋼鐵年會論文集》
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