（机械工程专业论文）轧管机万向接轴及平衡装置设计分析.pdf

摘要 摘要 无缝钢管厂生产线是包钢四大精品线之一，是包钢主要利润增长点，轧管机 是无缝钢管生产中的重要机组，万向接轴是轧管机传动系统中的一个重要传动部 件，其原结构为滑块式。随着生产产量的提高，其滑块式结构形式已严重影响生 产产量和质量的提高。所以设计和分析其运动原理和结构，找出解决问题办法， 对提高生产率、增加经济效益有重要实际意义。 本课题以万向接轴及平衡装置为主要研究对象，通过对万向接轴进行运动 学、力学理论分析计算，研究万向接轴工作时各个零件之间的运动学关系；对万 向接轴的重要零件十字轴进行设计分析，分析十字轴材质、工艺，并对十字轴轴 承结构进行设计；通过对十字轴进行力学分析计算，轴承寿命进行计算，本课题 还针对万向接轴平衡装置工作原理进行了详细运动学理论和结构形式分析，确定 了其平衡装置的液压结构形式。 根据设计分析采用十字轴是万向接轴和液压平衡装置解决了长期困扰轧管 机正常生产的问题。 关键词万向接轴十字轴平衡装置设计分析 a b s t r a c t t h es e a m l e s sp i p ep r o d u c tl i n ei so n eo ff o u r t hq u a l i t yl i n e so fb a o g a n ga n d i t s a l s om a i np r o f i ti n c r e a s ep o i n to fb a o g a n g t h er o l l i n gm i l li st h ei m p o r t a n te q u i p m e n td u r i n g t h ep r o d u c t i o n t h e u n i v e r s a ls h a f ti st h ei m p o r t a n tt r a n s f e ru n i to ft h ed r i v es y s t e mi nt h er o l l i n gm i l l i t so r i g i n a ls t r u c t u r ef o r mi ss l i d i n gu n i v e r s a ls h a f t w i t ht h ep r o d u c t i o no u t p u t i n c r e a s i n g ，t h ei m p r o v e m e n t o fp r o d u c t i o no u t p u ta n dq u a l i t y a r ei n f l u e n c e d s e r i o u s l vb yt h es l i d i n gu n i v e r s a ls h a f t s od e s i g n i n ga n da n a l y z i n gi t s m o t i o n p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，f i n d i n gt h ew a yt os o l v ep r o b l e m ，i ti si m p o r t a n tt o r i s et h e p r o d u c t i v i t ya n di n c r e a s et h ee c o n o m y b e n e f i t t h em a jo rr e s e a r c ho b je c to ft h i ss u b je c ti st h eu n i v e r s a ls h a f ta n di t sb a l a n c e e q u i p m e n tb ya n a l y z i n ga n dc o u n t i n gt h em o t i o na n dm e c h a n i c so ft h eu n i v e r s a l s h a f t ，t h e nr e s e a r c h i n gt h em o t i o nr e l a t i o no fe v e r yp a r t s ，a n a l y s et h ei m p o r t a n tu n i t ( c r o s ss h a f t ) o fu n i v e r s a ls h a f t a n a l y s i n gt h em a t e r i a la n dt e c h n o l o g yo ft h ec r o s ss h a f t ，a n dd e s i g n i n gt h e a s s e m b l ys t r u c t u r eo fc r o s ss h a f tb e a r i n g ，c a l c u l a t i n gt h eb e a r i n gl i f e t h ed e t a i lp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ef o r ma n a l y s i sa r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h eu n i v e r s a ls h a f tb a l a n c ee q u i p m e n ti nt h i ss u b je c t ，a l s oa r e d e t e r m i n e dt h e h y d r a u l i cs t r u c t u r ef o r r nf o rt h eb a l a n c e d e v i c e a c c o r d i n gt o t h i s d e s i g na n a l y s i s ，a f t e ra d o p t i n g t h ec r o s ss h a f to ft h e u n i v e r s a ls h a f ta n dt h eh y d r a u l i cb a l a n c ed e v i c e ，t h ep r o b l e mo fi n f l u c i n gn o r m a l p r o d u c t i o no f t h er o l l i n gm i l li sr e s o l v e d k e y w o r d s t h eu n i v e r s a ls h a f t ；t h ec r o s ss h a f t ；t h eb a l a n c ed e v i c e ；d e s i g n a n a 】s i s 一i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔盘堡 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 自动轧管机组的发展 1 1 1 自动轧管机的诞生 无缝钢管的生产历史是从1 9 世纪8 0 年代末曼内斯曼兄弟斜轧穿孔机投入工 业生产开始的，当时仅用1 台斜轧穿孔机生产厚壁的短无缝管，产量和精度都不 高。经过科技工作者不懈的努力，终于在1 9 世纪9 0 年代推出了二次斜轧延伸， 随后又推出了周期式轧管机。1 8 9 8 年美国的一家钢管公司采用了曼氏兄弟的同 事建议，即采用斜轧穿孔毛管，在二次轧钢机上轧制第一道后，抬起上辊，并用 回送辊将毛管送到前台，接着进行第二次轧制。这一方法实现了用一次加 热连续进行多道次轧制生产较长的薄壁无缝管，该方法大大提高了无缝钢管的质 量和效益，自动轧管机就这样诞生了，并在长达一个多世纪的时间成为世界无缝 钢管生产的主力轧管机组。 1 1 2 国内外研究内容现状 1 1 2 1 国外研究现状 自动轧管机诞生已有1 2 0 年历史，自动轧管机的工作特点是单机架“纵轧” 变形，工作方式是由不可逆的二辊式轧管机架和回送辊装置实现往复多道次轧 制。由于自动轧管机组的产品品种规格范围大，更换规格方便，生产效率高，因 此在2 0 世纪得到迅速发展，成为世界无缝钢管尤其是油井管生产的主力机组。 到2 0 世纪7 0 年代末自动轧管机技术发展到了顶峰，加拿大1 9 5 7 年建造了 中2 5 0 m m 单孔型自动轧管机，前苏联7 0 年代投产了3 套串列式自动轧管机，日 本先后投产4 套中4 0 0 m m 单孔型自动轧管机。 由于企业发展的需要各国家都对自动轧管机进行了改造。前苏联在7 0 年代 对2 台1 4 0 型半连续自动轧管机进行了根本性改造，在自动轧管机中首次采用了 菌式穿孔机和三辊均整机的配置，使其产品和质量有了相当大的提高。这一改造 为前苏联的老式自动轧管机的更新提供了一条既经济又可行的途径。为此俄罗斯 在1 9 9 7 - - 2 0 0 0 年期间投入大量资金对多个钢管厂进行改造，提高了产品质量扩 大了品种和规格，产量增加。另外，俄政府在1 9 9 8 - - 2 0 0 5 年俄罗斯联邦冶金工 业结构调整的纲要中规定了在1 9 9 8 1 9 9 9 年对车里雅宾斯克钢管厂0 4 2 6 周期 北京丁业大学t 程硕十学位论文 轧管车j 刨进行技术改造，建设一条2 7 6 5 3 0 r a m 石油管生产线。2 0 世纪8 0 年代 以来限动和半浮动芯棒连轧管机得到迅速发展。1 9 9 0 年伏尔加钢管厂从意大利 皮安蒂公司引进的大直径连轧管机投入生产，该机组可生产中1 5 9 一 4 2 6 * 7 4 2 m m 钢管。 1 1 2 2 国内研究现状 鞍钢无缝钢管厂是我国第一家无缝钢管厂，其1 4 0 自动轧管机1 9 5 3 年 1 2 月2 6 日正式投产，经改造后产量达到4 0 万吨，目前主要生产一般用途的钢 管，现该厂引进意大利中1 4 0 m p m 连轧管机以投入生产。 攀钢集团成都无缝钢管有限公司，原轧管机组是2 1 9 、3 1 8 周期式轧 管机1 9 6 1 年投产，后增加了一套l o o m m 单横自动轧管机和一套单机架3 4 0 周 期式自动轧管机，与美国皮昂蒂公司联合设计、制造了一套2 0 世纪9 0 年代具有 国际先进水平2 5 0 a c c up o l l 热轧管机组。 天津钢管公司目前是2 5 0 m m m p m 连轧管机，于1 9 9 6 年1 月正式投产，设计年 产钢管5 0 万吨，其中套管3 5 万吨，现又投产一套1 8 0 m m m i n i - m p m 机组，设计产 量5 0 万吨，这样钢管公司年产将达到1 0 0 万吨。 上海宝钢集团钢管分公司1 9 8 6 年投产由德国曼内斯曼德马克公司生产的 1 4 0 r a m 全浮动芯棒连轧管机及配套生产线，设计年产量5 0 万吨。 包钢无缝钢管厂1 9 7 1 年7 月建成投产，自动轧管机组热轧生产线设备由原 列宁格勒设计院设计，乌拉尔重型机床厂制造的，至今已运行3 0 多年。1 9 9 4 年 4 月正式与德国德马克公司签订了技术改造合同，2 0 0 0 年8 月完成改造，同时无 缝厂通过技术改造和创新，对生产设备和工艺逐步进行了改进和完善，使自动轧 管机组生产产量、质量和产品规格都达到了新的改造要求，满足了市场的需求。 无缝钢管厂设计产量3 0 万吨，改造后产量达到5 0 万吨，原轧管机主要使用滑块 式万向接轴和弹簧式平衡。9 0 年代又自筹资金引进意大利茵茜公司 1 8 0 m m m i n i m p m 连轧管机，设计产量2 0 万吨，其接轴为十字轴式万向接轴，平 衡为液压平衡。 目前，自动轧管机组仍是世界上生产无缝钢管的主要机型之一，机组数量仍 占第一位、年钢管产量占第2 位，特别是中2 5 0 m m 以上大直径无缝钢管，今后， 在相当长的时期内，自动轧管机组仍会具有较强的市场竞争力。 1 2 工艺流程 第1 章绪论 包钢无缝钢管厂自动轧管机工艺流程图如图卜1 所示： 一 2 撑环形炉 l 囤 图1 1 工艺流程图 f i g1 1t e c h n i c sf l o wc h a r t 1 3 轧管机组主要设备组成及主要技术参数 轧管机组主要由环形炉、穿孔机、轧管机、均整机和定径机组成，其中轧 管机由工作机架、主传动、前台和后台等部分组成。工作机架由上辊可升降的二 辊不可逆式工作轧辊和下轧辊可以升降的二辊回送辊( 旋转万向与工作辊相反) 两部分组成。主传动由电机、联轴器、齿轮机座、万向接轴及平衡装置和工作轧 辊组成。 其轧制过程是：从穿孔机过来的毛管进入轧管机前台后，由推抖机将其推 向工作轧辊、咬入后通过由轧辊型和顶头组成的“环形”缝隙进行减径、减壁的 延伸轧制，钢管轧后停留在后台，然后抬起上工作轧辊和取出接头，由回送辊将 钢管送回前台，即完成一次轧制。返回的钢管在前台翻转9 0 度，再进行下一道 北京丁业大学t 程硕l 学位论文 钢管轧制。 环形炉设备性能参数 环形炉直径：2 4 2 m 管坯加热温度：1 1 0 0 一1 3 0 0 管坯直径：2 5 0 一巾3 5 0 m m 穿孔机设备性能参数 主电机： 型号：m1 25 7 0 0 - 1 0 0额定电流：5 4 5 0 a 功率：4 2 0 0 k w额定电压：8 2 5 v 额定转数：1 0 0 2 0 0r p m 主联结轴： 传动最大扭矩：7 5 1 0n m 转速：1 1 0 - 2 2 0r p m 万向接轴： 公称扭矩：3 1 9 1 0n m 最大扭矩：7 9 9 1 0n m 工作倾角：5 。一1 2 。 轧管机设备性能参数 主电机： 型号：m 4 0 0 0 - 5 5 额定转数：5 5 - 1 2 0r m i n 额定电流：3 8 7 0 a 齿轮机座： 最大扭矩：1 2 0 0 l ( n m 万向接轴： 额定功率：2 9 0 0 k w 额定电压：8 2 5 v 最大电流：6 8 0 0 a 转数：n = 6 2 1 2 4r m i n 每根轴最大扭矩：6 0 0 k n m 上轴工作倾角：2 。5 7 4 l 下轴工作倾角：1 0 。4 3 7 5 工作机架： 工作辊直径：中l1 0 0 - 中1 2 0 0 m m 回送辊直径：中7 6 0 - 8 4 0 m m 上压下丝杠行程：3 0 0 m m 第1 荦绪论 下压上丝杠行程：18 0 r a m 钢管回送时工作辊上辊垂直移动行程：5 5 m m 轧管机允许轧制的规格： 钢管直径：1 3 2 - 5 1 0 m m 钢管长度：6 - 1 5 5 m 均整机设备性能参数 主电机：mn1 2 0 0 4 0 0额定电流：1 2 7 0 a 额定转数：4 4 0 7 5 0r m i n额定电压：8 2 5 v 主减速机： 最大传递功率：1 2 0 0 - 1 3 0 0 马力 传动比： i = 4 4 6 万向接轴： 公称扭矩： 4 8k n m 最大传递扭矩：1 2 0i n m “ 最大倾角： 8 。 1 4 课题的来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源 我厂自动轧管机组中轧管机的万向接轴，原采用的是滑块式的接轴，投产 后，随着生产产量的增加，更加快了月牙形铜滑块磨损速度，更换时间由原来两 个月一次，缩短到十天左右更换一次。浪费大量的时间和材料同时影响了生产速 度；另外滑块磨损间隙加大，引起的冲击恶化了轧管机工作条件，噪音也很大， 同时还影响了钢管生产的质量；另一万面，滑块式万向接轴采用的是开式润滑、 润滑油不易保存在摩擦面上，为了减少磨损，必须经常注油，浪费了大量油脂， 并影响到了工作环境。我国上海第一钢铁厂是第一家使用大型十字轴式万向接轴 应用在2 3 5 0 四辊钢板热轧机上试用，后又经多次改进，效果很好。其他钢铁 厂逐步仿效应用于各种轧钢机中取代原滑块式万向接轴。十字轴式万向接轴由于 传递效率高，可达9 8 7 9 9 ，传动平稳、润滑条件好，允许倾角大可达1 0 。 1 5 。以上，同时传递扭矩大等特点，已广泛应用在国内外的各种轧钢机设备中， 取得了良好的效果。为了改变这种情况，提高钢管产量和质量，厂里决定将滑块 式万向接轴改造成十字轴式万向接轴。 北京t q k 大学t 程硕十学位论文 1 4 2 主要研究内容 本课题主要研究内容有： ( 1 ) 对万向接轴进行运动学、力学理论进行分析计算，研究万向接轴工作 时各个零件之间的运动学关系，对万向接轴的工作效率及寿命进行分析研究。 ( 2 ) 对万向接轴的重要零件十字轴的设计进行分析，分析十字轴轴承总成 结构设计，对十字轴材质、工艺进行分析，并对十字轴进行计算分析。根据轧 管生产的传递扭矩进行轴承寿命计算、选择。 ( 3 ) 根据轧管生产的实际情况，研究分析万向接轴与工作轧辊和齿轮机座 输出轴联接方式，轧辊侧采用无螺栓联接方式，输出轴采用端面直齿连接。对 齿的强度进行分析计算。对万向接轴的十字轴进行力学分析和计算，建立万向 接轴三维实体模型。 ( 4 ) 研究分析万向接轴平衡装置力学理论并进行设计改造，分析液压平衡装 置的机械原理。 1 5 本章小结 本章主要叙述了自动轧管机的诞生，国内外发展状况和我厂生产流程和设 备主要参数，以及将滑块式万向接轴改造成十字轴式万向接轴的课题来源和主要 研究内容原因。 第2 章万向接轴的运动学和动力学分析 第2 章万向接轴的运动学和动力学分析 2 1 概述 轧管机采用的万向接轴，其作用是将电机的运动和力矩，经过联轴器、齿 轮机座，然后再通过万向接轴传递给工作轧辊，万向接轴的结构类型较多，如按 传递转矩大小，可分为小型万向接轴和大型万向接轴；如按结构原则可分为十字 轴式万向接轴和球笼式万向接轴等，大型十字轴式万向接轴，根据万向节的联接 固定万式的不同，可分为轴承装置固定式，卡环固定式和轴承座固定式等，本节 只介绍大型十字轴万向接轴。 2 2 十字轴式万向联轴器的运动分析 2 2 1 十字轴式万向联轴器的运动分析 十字轴式万向联轴器的结构原理如图2 - i 所示，主、从动轴上的轴叉1 、3 与中间的十字轴2 分别以铰链联接，当两轴有角位移时，轴叉1 、3 绕各自固定 轴线回转，而十字轴则作空间运动，十字轴轴头在轴叉1 、3 轴承孔作摆动。 当两轴的轴间角不等于零时，任一瞬时主动轴转角与从动轴转角如图2 - 2 所示。在垂直主动轴1 的平面上投影，主动轴叉上a 点的轨迹为一实际大小的圆， 从动轴叉上b 点的轨迹为一椭圆。由于0 b 垂直于0 a ，因此，当主动轴叉转过直 径l ，在投影面上a o 点转至a 点，b 0 点转至b 17 点，o 7 b 1 与0 7 a7 仍保持 垂直关系，即b o o 7 b 17 = 直径1 。而从动轴叉上b 点实际转角直径2 ，可将o b i 所在平面转过角q 使与0 a 所在平面重合，此时o b i 成为o b i ，b l 点所在中 心角b o o 7 b i 即为从动轴转角直径2 ，由几何关系可得： t g 妒2 = t g 妒i c o sq 或c o sq = t g 伊1 t g 缈2 ( 2 - i ) 式中：q 轴1 与轴2 的夹角； 伊l 缈2 主、从动轴的转角。 由上式可知主、从动轴的转角之比与轴间角q 有关。 北京t 业大学t 程硕f 。学位论文 图2 一l 十字轴式万向联轴器结构简图 1 、3 一轴叉2 一十字轴 f i g 2 1c r o s ss h a f tu n i v e r s a lj o i n ts t r u c t u r ec h a r t 1 、3 f o r k 2 c r o s ss h a f t ad i a v 一、颤 n 帮岩肌豫n _ v2 矶 刿 图2 2 万向联轴器传动关系图 f i g 2 2t r a n s f e rr e l a t i o nf o ru n i v e r s a ls h a f t 两轴的转角差直径可用下式表示： 转角差= 妒2 - ( ol = a r c t g t g 呼d1 ( 1 一c o sq ) ( c o sq + t 9 2 伊1 ) ( 2 - 2 ) 主、从动轴转角差关系见图2 - 3 。 通常两轴的轴间角q 2 5 。4 0 。时，刁21 一一l 2 留i + 辔a j ( 2 4 1 ) 上述两式中：d 十字轴直径； r 十字轴上受力集中点到中心的距离； 十字轴与轴承的磨擦系数，对润滑轴承，20 1 5 0 2 ；对滚动轴 承，20 0 1 0 1 。 通常情况下，十字轴式万向联轴器的效率可达9 7 , - - , 9 9 。2 3 4 中间轴惯性 矩产生的附加力 由于万向节的运动特性，单个十字轴万向节只能用于忽略转速传递不均匀的 场合。当主从动轴的轴间角较大以及转速较高时，必须考虑到从动轴转速波动引 起的附加惯性和转矩，对于万向轴来说，就是中间接轴部分，附加惯性转矩如式 2 3 4 所示： 船惦= 以等等筹守叼2 c 2 。4 ， 中间接轴的能否平稳运转关系到万向轴的使用效果，事实上中间接轴的转矩 由两部分组成，如2 3 5 所示 正= 正旦= 挚+ 以笔若兰三辅万。2 c 2 3 5 ) 由于伊- 变化，为此t ：破成交惯性转矩，产生扭转振动和振动噪音。理论和 经验表明，为了实现传动轴的平衡运转，其惯性力矩t k 不准超过一定界限，工 程应用上一般是限制转速r l 与夹角a 的乘积不能超过最大允许值。通常惯性矩 t k 不应超过万向轴额定转矩的8 ，最大时限性矩t k 不应超过万向轴额定转矩的 2 5 万向节十字轴设计原则 2 5 1按弯曲强度设计十字轴 利用材料学方法，对十字轴按有外壳包围的悬梁( 固定梁) 承受弯曲载荷的 情况来计算轴颈这一主要结构参数，如图2 - 1 0 所示 北京t 业火学丁程硕：f j 学位论文 图2 1 0十字轴的轴颈直径 f i g 2 1 0j o u r n a ld i a m e t e rf o rc o r s ss h a f t i i 面的弯矩是m i - i ，m i - i = f a = w b 0b ( 2 - 4 2 ) 转矩：t = f 2 r ( 2 4 3 ) 由上述两式求得从动轴十字轴轴颈上得受力最大值： 丝：三d 3 讧 c o s 口3 2 9 ( 2 4 4 ) 从式( 2 4 3 ) 、式( 2 - 4 4 4 ) 可求得： ，f 3 2 f 口 f1 6 t 口 d 2 一= f 一 、刀c o s 口盯6 、万r c o s 口仃6 ( 2 4 5 ) 2 5 2 按表面应力设计下字轴 利用赫兹理论，可以计算滚动体( 滚针或滚子) 与十字轴轴颈的表面接触 应力，其公式如( 2 - 4 6 ) 所示： 仃= 2 7 0 括弓+ 旁跏“倍4 矽 式中：b 滚针或滚子的有效接触长度m m ； d 广_ 滚针或滚了的直径m m ： d 十字轴轴颈咖； 第2 章 万向接轴的运动学和动力学分析 r 滚针或滚子上所受的最大径向力n 尸：4 0 8 f z 卜轴承上的径向载荷n ： z 每排滚针或滚子数目； 幻许用接触应力n m m 2 ，一般取 口幻= 2 0 0 0 2 4 0 0n m m 2 。 2 5 3 按疲劳损伤理论进行设计 万向轴长期使用严重失效反映在十字轴上有两种情况，一是十字轴根部断裂 是由弯曲度疲劳所致，二是十字轴表面点蚀是由接触疲劳所致。拐变曲疲劳强度 校核时主要计算弯曲疲劳系数，公式如下： = 可上二l 刀。 f2 4 舂岬m 式中：o 一1 十字轴材料对称循环疲劳极限； oa 弯曲应力的应力幅； ot i r q 曲应力的平均应力； ka 弯矩作用引起的有效应力集中系数； o 影响弯曲应力的绝对尺寸系数； b 表面状态系数 1 l ra 材料对称循环的敏感系数 十字轴的接触疲劳寿命计算公式见式( 2 4 8 ) ，式中循环基数经验取值为3 1 0 7 。 厶= 等恻卜阻4 砂 式中：n 万向轴转速； q 两轴轴间角 qz e 十字轴接触 疲劳强度许可极限 ； q 旷斗字轴表面接触应力 ：化京工业人学工程硕十学位论文 2 6 万向节轴承寿命 对短期载荷，应力状态是准静态的，万向轴应设计成不会发生过大的塑性变 化，而对中长期载荷，应力状态是动态的，设计的万向轴必须经受住数百万次循 环应力的疲劳作用，因此在设计轴承时，必须计算轴承的静压力、静态额定转短、 动态承载能力和动态转矩。 2 6 1 静压力 静态载荷指的是万向轴转矩所产生的压力，可以是静止的或有轻微的振荡， 而转矩可以是恒定的或变化的。所谓静态是指万向轴运转工况，而不是指应力类 型。线接触滚动体表面许用应力oy 和永久塑性变形60 的经验关系如下： n m m 2 ( 2 - 4 9 ) 式中：c r 相似类数与滚动值直径d l 和十字轴直径有关 广_ c 矽：2 7 0 ，1 + 一d l vd 根据国外最新研究，万向轴在不降低耐久性的条件下，60 能达到滚动体直 径的0 0 4 ，更多的经验表明，轻微的塑性变形不会损害运转的平稳性及耐久性， 一般情况下其静压力oy 为4 0 0 0 m p a 。 2 6 2 静态额定转矩 轴承中滚动体通常是i 列每列z 个，那么十字轴轴承的静态承载能力c o 公 式如下： c o = 兀i z d l l 。f2 - 5 _ ，o 系数，与滚动体直径d l 和十字轴轴颈d 有关 = 4 4 ( - 一鼎) ，z 2 l r 滚动体接触的有效长度。 根据静态承载力c o 及引入的静态安全系数s o ，可推导出万向静态额定转矩 t o ，其公式如下： 乃2 妾c d 以2 丽2 厶o i ozed , el w e r f2 _ 5 矽 第2 章万向接轴的运动学和动力学分析 静态安全系数s o 取0 8 、1 0 ，静念额定转矩t o 必须大于或等于产品样本中 指定的额定转矩。 2 6 3 动态承载能力和动态转矩 滚动体经受大量循环载荷后，其工作寿命会受到滚动体表面疲劳失效的限 制，其考核滚动体的主要形式是计算动载能力c o c 值完全通过理论计算是不可能 的。根据不安全试验，推导出的经验公式如下： c = 启( 圮w ) 7 9 z 3 4 d 1 2 9 2 7 ( 2 5 砂 上式中的f e 称作动态能力系数，表示承载能力对材料、轴承结构、比例和 滚动性与滚道之间的配合依赖性。f e 值计算是由几何结构因素，f 1 值与承载能 力系数f 2 值乘积算出。f 1 值见表2 - 1 。 表2 一l 几何结构因素f l ( 根据i n a ) 在运动载荷作用下，不能直接由动载能力c 值计算出动态额定转矩，原因是 轴承运动是摆动且受载是周期性变化的，实际应力只有转换等效应力才能估算出 动态额定转矩。通过等效应力的计算可以推出下式； c r ：t d k l l 。3 l n ：a f2 5 砂 2 尼。、1 5 1 0 0 式中：t d 动转矩； k 1 轴承系数，对于具有小公差、刚性定心架、低应力的重负载轴，取 1 o o 1 3 3 ，对具有标准公差，高应力轻负载轴，取1 3 3 “1 6 6 ； k r 周期性压力等效系数，见图2 一l l 所示 通常规定当速度r l 为t 0 0 0 r m i n ，两轴夹角为3 。，轴承寿命为5 0 0 0 h 时， 计算出的t d 值为动转矩，c r 值称为动力传递参数。随着运转条件的变化，计算 轴承寿命也是完全可以的。 7 速度和轴间角的关系 通常用带有两个十字轴万向节作为驱动轴，即使按z 型或w 型布置，输入轴 和输出轴同步，但在一定轴间角q 的情况下，中间段是恒速运转，其最大允许 极限与转速n 、轴间角q 及转速惯量有关。对于伸缩式的万向轴，由于存在挠性 尤为关键，对于无伸缩万向轴，其固有惯性激振对输入和输出端产生很大的应力。 一般产品除规定万向轴使用的最大转速f i m s x 外，还对转速n 与轴间角a 的乘积 n q 作出了规定。 北京t 、l k 大学t 程硕十学位论文 2 8 临界转速和十字万向联轴器的弯曲振动 由于十字万向联轴器中间部分的质量分布偏离回转中心线，当转速达到某些 特定转速时，十字万向联轴器弯曲振动将会产生共振现象。中间轴不同的结构形 式第一临界转速n z l 计算如下： n z i = 1 2 2 1 0 2 兰厂m i n f 2 5 砂 d l d m f l d 1 d m f l d l d m f ld l d m f l 0 0 0 l4 3 2 90 0 3 l 9 2 7 8o 0 6 l1 0 6 9 40 0 9 11 1 5 0 4 0 0 25 0 5 0 0 0 3 29 3 4 30 0 6 21 0 7 2 80 0 9 2 1 1 5 2 5 0 0 35 5 2 70 0 3 39 4 0 50 0 6 31 0 7 6 20 0 9 3 1 1 5 4 5 0 0 45 8 9 20 0 3 46 4 6 60 0 6 4 1 0 7 9 50 0 9 41 1 5 6 5 0 0 56 1 9 20 0 3 59 5 2 6 0 0 6 51 0 8 2 70 0 9 511 5 8 4 o 0 66 4 4 9 0 0 3 69 5 8 40 0 6 61 0 8 5 90 0 9 6l1 6 0 3 0 0 76 6 7 40 0 3 79 6 4 00 0 6 71 0 8 9 10 0 9 7 11 6 2 2 0 0 86 8 7 50 0 3 89 6 9 40 0 6 81 0 9 2 2 0 0 9 81 1 6 4 0 0 0 97 0 5 80 0 3 99 7 4 90 0 6 9 1 0 9 5 20 0 9 911 6 5 8 0 1 07 2 2 50 0 4 0 9 8 0 20 0 7 01 0 9 8 2o 1 0 01 1 6 7 6 o 0 1 17 3 8 0o 0 4 19 8 5 40 0 7 111 0 1 10 1 0 l 11 7 1 1 0 0 1 27 5 2 40 0 4 29 9 0 40 0 7 2 11 0 4 0o 1 0 211 7 4 4 0 0 1 37 6 5 90 0 4 39 9 5 40 0 7 311 0 6 8 0 1 0 311 7 7 7 o 0 1 47 7 8 50 0 4 41 0 0 0 20 0 7 4 1 1 0 9 6o 1 0 41 1 8 0 8 0 0 1 57 9 0 70 0 4 51 0 0 4 9 0 0 7 5l1 1 2 40 1 0 51 1 8 3 7 o 0 1 68 0 。2 l 0 0 4 61 0 0 9 60 0 7 6l1 1 。5 10 1 0 61 1 8 6 6 0 0 1 78 1 2 90 0 4 71 0 1 4 l0 0 7 7l1 1 7 70 1 0 7 11 8 9 4 0 0 1 88 2 3 30 0 4 81 0 1 - 8 60 0 7 811 2 0 3 0 1 0 811 9 2 0 0 0 1 98 3 3 20 0 4 91 0 2 3 0 0 0 7 9l1 2 2 90 1 0 911 9 4 6 0 0 2 08 4 2 70 0 5 01 0 2 7 2 0 0 8 011 2 5 4o 1 1 01 1 9 7 0 o 0 2 l8 5 1 9o 0 5 l1 0 3 1 4o 0 8 l1 1 2 7 9 o 1 2 l1 1 9 。9 4 0 0 2 28 6 0 60 0 5 21 0 2 60 0 8 211 3 0 3 0 1 2 21 2 0 1 6 0 0 2 38 6 9 10 0 5 31 0 3 9 60 0 8 31 1 3 2 7 o 1 2 31 2 0 3 8 0 0 2 48 7 7 30 0 5 41 0 4 3 60 0 8 4 l1 2 0o 1 2 41 2 0 5 9 0 0 2 58 8 5 20 0 5 51 0 4 7 5 0 0 8 511 3 7 30 1 2 51 2 0 7 8 0 0 2 68 9 2 90 0 5 61 0 5 1 30 0 8 6l1 3 9 60 1 2 61 2 0 9 7 0 0 2 79 0 0 30 0 5 71 0 5 5 00 0 8 711 4 1 9 o 1 2 71 2 1 1 5 0 0 2 89 0 7 50 0 5 81 0 5 8 70 0 8 8l1 4 4 00 1 2 8 1 2 1 3 2 0 0 2 99 1 4 50 0 5 91 0 6 2 30 0 8 911 4 6 2 0 1 2 91 2 1 3 8 0 0 3 09 2 1 20 0 6 01 0 6 5 90 0 9 0 l1 4 7 3o 1 2 01 2 1 6 3 图2 - 11 周期性压力等效系数 f i g 2 一t le q u i v a l e n tc o e f f i c i e n tf o rp e r i o d i cp r e s s u r e 一2 2 第2 荦7 j - 向接轴的运动学和动f j 学分析 对十空心轴 n z i = 1 2 2 1 0 2 1 d 2 r + d 2 ，m i n f 2 5 对于带花键伸缩的空心轴 彪l = ( 0 7 - 0 9 ) x 1 2 2 x 1 0 2d 2 + d 2 ，m i n f2 5 矽 上述式中：d 实心轴直径或空心轴内径，单位为m m ， 卜空心轴外径，单位为m m l 长度，单位为m m ， 2 9 本章小结 本章针对万向联轴器这一部件，进行了几何、运动学、力学理论进行了分析 计算，分析了工作时各个零件之间的运动学关系，同时对万向联轴器寿命进行了 分析。 第3 章 万向接轴的设计 3 1 概述 第3 章万向接轴的设计 由于十字轴式万向接轴己趋于标准化，因此，在设计时尽量采用了标准 系列中的尺寸，同时设计时结合实际工作情况，设计选用万向接轴及相关零件的 结构。 3 2 十字轴总线游隙结构设计 3 2 1 滚动体和轴向推力承选择 根据回转直径超过1 6 8 0 姗的万向接轴，因其传递的转矩大，自身质量重的原 因，我厂采用了圆柱滚子推力轴承置于十字轴的轴头部位的型式，径向圆柱滚子 设计成4 5 列如图3 1 所示是结构紧凑、外型尺寸小、制造成本低，但摩擦阻 力稍大，滚针易倾斜折断、十字轴轴颈表面易损坏。 图3 - 1 圆柱滚子推力轴承 f i g 3 1r o l l e rb e a r i n g 对于转速在3 0 0r m i n 以下，回转直径巾1 5 0 - 巾6 2 0 r a m 以传递转矩为主的万 向联轴器宜采用如图所示的轴承结构，滚动体采用2 - - - 4 列的圆柱滚子，滑动推 北京t _ , l k 大学t 程硕i 学位论文 力轴承- 口j 以置于十字轴的根部，也町以置以十字轴的轴头部位，其特点可以随较 大的转矩、制造相对比较简单。 3 2 2 轴承游隙及主要尺寸 得出的十字轴直径以及轴承滚动体的基本尺寸可按式( 2 5 4 ) 计算径向滚动 体相互之间的平均间隙，按式( 2 - 5 5 ) 计算径向滚动体周向总间隙，如图3 - 2 所 示：万= ( 川t ) s i n 半叫k ( 3 1 j - )不： l ， a = 万z ( 3 - 2 ) 铲、| ：k 羚 4 魏 图3 - 2 径向滚动体周向总间隙 f i g 3 2 t o t a lc y c l eg a pf o r r a d i a l r o l l e r 滚动体之间沿周向具有适当间隙，由于十字轴与轴承之间是摆的关系，因此 可以选取较小的间隙，一般来说对于滚针滚动体，其滚针相互之间的平均间隙6 取在0 0 0 5 0 0 2 5l l l l l l 范围内，直径较大的滚针6 取最大值，反之取小值，由于 滚动体采用密排方式，没有保持架，为防止滚动体在轴承内歪斜，还要对滚动体 周向总间隙给予限制，对于滚针滚动体，总间隙一般不超过0 5 咖或滚针直 径的0 4 倍；对于回转直径较大的或承载能力较高的十字轴式万向联轴器，其滚 动体采用圆柱滚子，其圆柱滚子相互之间的平均间隙6 取在0 0 1 o 0 4 衄范围 内，总间隙一般取在0 7 1 2 哪范围内。 轴承外圈的壁厚h 与滚动体的直径有关，一般按经验取值如下： 对于圆柱滚子轴承，当d1 2 0 m m 时h - ( 07 5 o8 5 ) d1 当dl 2 0 m m 时h = ( 06 5 07 5 ) dl 3 23 十字轴和轴承外圈主要材料、工艺和精度 十字轴和轴承外圈主要材料一般采用低碳合金钢，如1 5 c r n i 4 m o 、1 8 c r m o t i 、 17 c r 2 n i 2 o 、1 8 c r 2 n i 4 、2 0 c r 2 n i 4 、1 8 c r 2 n i 4 w a 等，表面渗碳淬火后硬度达到 h r c 5 8 6 4 ，芯部组织硬度h r c 3 5 左右比较理想：十字轴、轴承套的主要配合尺 寸及形位公差按5 6 级设计。 33 万向联轴器中间轴结构设计 目前十字轴式万向联轴器中间轴结构型式主要有可