论大型宽厚板轧机十字轴万向联轴器疲劳寿命

赵磊 丁邦权 陈小星

摘要：大型宽厚板轧机主传动轴使用的十字轴式万向联轴器主要的作用就是用来传递一些比较大的扭矩，使用过程中经常会受到工程恶劣、载荷、冲击等因素影响频繁出现故障。导致十字轴万向联轴器出现疲劳寿命现象。本文通过分析国内某大型宽厚板轧机主传动轴的十字轴万向联轴器使用情况，估算其疲劳寿命，再与实际情况进行对比，检测计算方法是否能够作为以后参考的依据。

关键词：大型宽厚板轧机;十字轴万向联轴器;疲劳寿命

0  引言

现在大部分大型宽厚板轧机主传动系统使用的都是十字轴万向联轴器。但是因为十字轴万向联轴器的结构非常复杂，零件使用时还会因为区域强度的原因影响整个结构使用寿命。在主传动系统中最重要的零件就是十字轴万向联轴器，一旦损坏就会影响整个设备的使用，严重的时候还会出现不可挽回的经济损失。本文以国内某厂5m轧机十字轴万向联轴器为主作为分析，在了解材料基础性能参数之后通过计算的方法得到具体的疲劳寿命，验证计算方法的有效性。

1  传动轴材料的特性参数曲线

1.1 传动轴材料应力应变循环特性曲线

结构的疲劳破坏是指在循环载荷作用下结构出现了破坏现象，在解决问题的时候最关键的就是要注意材料的循环加载特性。在计算的时候金属材料的应力-应变循环曲线方程表达式为：

（其中：？着t代表总应变幅值;？着e代表弹性应变幅值;？着p代表塑性应变幅值;？啄a代表应力幅值;E代表弹性模量;K′代表循环强度系数;n′代表循环应变硬化指数。）

通过假设能够把金属材料的应力-应变循环曲线方程式转换成：

特别需要注意的是转换之后的公式就是应力应变滞回环的表达公式。计算过程中如有金属材料，这些金属材料在循环载荷作用下的就会被循环硬化或者是循环软化。

表1所示是某厂5m轧机主传动接轴具体基础参数。

1.2 传动轴材料的应变疲劳寿命特性曲线

机械零部件的疲劳寿命和局部塑性应变循环有着密不可分的关系。影响塑性应变的主要因素包括：零件表面状态、局部几何形式、材料类型、载荷形式和载荷大小等。整理数据之后能够知道应变-寿命曲线主要可以表达为：

如图1所示是利用Jmatpro软件分析出来的材料应变-寿命曲线。

2  材料疲劳寿命计算方法

2.1 材料应变寿命的平均应力修正

一般在工作的时候零件承受的循环载荷都存在相应的应变和非零均值压力，因为有其两种因素的存在所以不能通过系统反应和疲劳有关的问题。在预估寿命的时候可以用以下的方式来进行检测：

2.2 Neuber修正法的局部应力应变法寿命估算

Neuber修正法能够把基于弹性应力的有限元分析结构变成弹塑性应力应变，转变完成之后在使用局部应力应变法进行寿命计算。修正Neuber公式为：

产生疲劳损伤的主要原因就是完整的应力应变循环。当疲劳损伤到一定程度的时候材料就会出现裂纹。

3  十字轴万向联轴器疲劳寿命计算

3.1 十字轴万向联轴器疲劳载荷作用的历程

如表2所示是大型宽厚板轧机十字轴工作时候的扭矩测试值。

从表2上的数据能够知道下接轴所承受的扭矩要比上接轴所承受的扭矩大，所以在进行疲劳分析的时候需要选择下接轴上的扭矩来进行分析。如图2所示是300s之内的下接轴扭矩曲线图。

在进行疲劳运算的时候要以一个300s扭矩时间为一个循环进行分析，计算出十字轴结构能够承受多少个这样的载荷。在计算的时候能够发现当纵坐标放大到5800倍的时候就能够得到下接轴的实际扭矩值，所以在计算的时候就需要缩小5800倍在进行计算，这样就不会影响整个计算的结果。

3.2 十字轴万向联轴器疲劳寿命计算的计算结果

在十字轴万向联轴器疲劳寿命计算的时候发现十字轴内最严重部位的疲劳寿命在6.88×104，因为在计算的时候每次循环的时间在300s，所以实际的疲劳寿命就是5733.3h，大概是238.9天。在计算的时候还能够知道叉头压盖最严重的地方疲劳寿命能够达到8.21×104。循环的时间还是在300s，所以能够计算出疲劳寿命的时间在6841.7h，就是285.1天。螺栓最嚴重的部位疲劳寿命能够达到5.6×105，循环时间为300s，所以螺旋的疲劳寿命就是46666.7h，也就是在1944.4天。从计算的结果能够发现大扭矩载荷作用次数虽然小于小扭矩载荷的作用次数，但是疲劳破坏的主要原因。

3.3 十字轴万向联轴器疲劳寿命计算的结论

通过疲劳寿命分析能够知道主传动轴各处材料的坯料寿命具体的分析结果，如表3所示。

4  结束语

通过整个对大型宽厚板轧机十字轴万向联轴器分析之后能够知道在平均载荷作用之后使用寿命最低的是在238.9天的时候，并且计算出来的使用寿命与实际使用相符，这说明用这种方法分析出来的结果是非常有效的，以后在计算大型宽厚板轧机十字轴万向联轴器疲劳寿命的时候就可以用这种方法作为理论计算的辅助工具来进行使用。

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