論大型寬厚板軋機十字軸萬向聯軸器疲勞壽命

趙磊 丁邦權 陳小星

摘要：大型寬厚板軋機主傳動軸使用的十字軸式萬向聯軸器主要的作用就是用來傳遞一些比較大的扭矩，使用過程中經常會受到工程惡劣、載荷、沖擊等因素影響頻繁出現故障。導致十字軸萬向聯軸器出現疲勞壽命現象。本文通過分析國內某大型寬厚板軋機主傳動軸的十字軸萬向聯軸器使用情況，估算其疲勞壽命，再與實際情況進行對比，檢測計算方法是否能夠作為以后參考的依據。

關鍵詞：大型寬厚板軋機;十字軸萬向聯軸器;疲勞壽命

0? 引言

現在大部分大型寬厚板軋機主傳動系統使用的都是十字軸萬向聯軸器。但是因為十字軸萬向聯軸器的結構非常復雜，零件使用時還會因為區域強度的原因影響整個結構使用壽命。在主傳動系統中最重要的零件就是十字軸萬向聯軸器，一旦損壞就會影響整個設備的使用，嚴重的時候還會出現不可挽回的經濟損失。本文以國內某廠5m軋機十字軸萬向聯軸器為主作為分析，在了解材料基礎性能參數之后通過計算的方法得到具體的疲勞壽命，驗證計算方法的有效性。

1? 傳動軸材料的特性參數曲線

1.1 傳動軸材料應力應變循環特性曲線

結構的疲勞破壞是指在循環載荷作用下結構出現了破壞現象，在解決問題的時候最關鍵的就是要注意材料的循環加載特性。在計算的時候金屬材料的應力-應變循環曲線方程表達式為：

（其中：？著t代表總應變幅值;？著e代表彈性應變幅值;？著p代表塑性應變幅值;？啄a代表應力幅值;E代表彈性模量;K′代表循環強度系數;n′代表循環應變硬化指數。）

通過假設能夠把金屬材料的應力-應變循環曲線方程式轉換成：

特別需要注意的是轉換之后的公式就是應力應變滯回環的表達公式。計算過程中如有金屬材料，這些金屬材料在循環載荷作用下的就會被循環硬化或者是循環軟化。

表1所示是某廠5m軋機主傳動接軸具體基礎參數。

1.2 傳動軸材料的應變疲勞壽命特性曲線

機械零部件的疲勞壽命和局部塑性應變循環有著密不可分的關系。影響塑性應變的主要因素包括：零件表面狀態、局部幾何形式、材料類型、載荷形式和載荷大小等。整理數據之后能夠知道應變-壽命曲線主要可以表達為：

如圖1所示是利用Jmatpro軟件分析出來的材料應變-壽命曲線。

2? 材料疲勞壽命計算方法

2.1 材料應變壽命的平均應力修正

一般在工作的時候零件承受的循環載荷都存在相應的應變和非零均值壓力，因為有其兩種因素的存在所以不能通過系統反應和疲勞有關的問題。在預估壽命的時候可以用以下的方式來進行檢測：

2.2 Neuber修正法的局部應力應變法壽命估算

Neuber修正法能夠把基于彈性應力的有限元分析結構變成彈塑性應力應變，轉變完成之后在使用局部應力應變法進行壽命計算。修正Neuber公式為：

產生疲勞損傷的主要原因就是完整的應力應變循環。當疲勞損傷到一定程度的時候材料就會出現裂紋。

3? 十字軸萬向聯軸器疲勞壽命計算

3.1 十字軸萬向聯軸器疲勞載荷作用的歷程

如表2所示是大型寬厚板軋機十字軸工作時候的扭矩測試值。

從表2上的數據能夠知道下接軸所承受的扭矩要比上接軸所承受的扭矩大，所以在進行疲勞分析的時候需要選擇下接軸上的扭矩來進行分析。如圖2所示是300s之內的下接軸扭矩曲線圖。

在進行疲勞運算的時候要以一個300s扭矩時間為一個循環進行分析，計算出十字軸結構能夠承受多少個這樣的載荷。在計算的時候能夠發現當縱坐標放大到5800倍的時候就能夠得到下接軸的實際扭矩值，所以在計算的時候就需要縮小5800倍在進行計算，這樣就不會影響整個計算的結果。

3.2 十字軸萬向聯軸器疲勞壽命計算的計算結果

在十字軸萬向聯軸器疲勞壽命計算的時候發現十字軸內最嚴重部位的疲勞壽命在6.88×104，因為在計算的時候每次循環的時間在300s，所以實際的疲勞壽命就是5733.3h，大概是238.9天。在計算的時候還能夠知道叉頭壓蓋最嚴重的地方疲勞壽命能夠達到8.21×104。循環的時間還是在300s，所以能夠計算出疲勞壽命的時間在6841.7h，就是285.1天。螺栓最嚴重的部位疲勞壽命能夠達到5.6×105，循環時間為300s，所以螺旋的疲勞壽命就是46666.7h，也就是在1944.4天。從計算的結果能夠發現大扭矩載荷作用次數雖然小于小扭矩載荷的作用次數，但是疲勞破壞的主要原因。

3.3 十字軸萬向聯軸器疲勞壽命計算的結論

通過疲勞壽命分析能夠知道主傳動軸各處材料的坯料壽命具體的分析結果，如表3所示。

4? 結束語

通過整個對大型寬厚板軋機十字軸萬向聯軸器分析之后能夠知道在平均載荷作用之后使用壽命最低的是在238.9天的時候，并且計算出來的使用壽命與實際使用相符，這說明用這種方法分析出來的結果是非常有效的，以后在計算大型寬厚板軋機十字軸萬向聯軸器疲勞壽命的時候就可以用這種方法作為理論計算的輔助工具來進行使用。

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