矫直辊渐开线花键轴头承载能力提升方案

2022-04-19 05:24赵岽
中国重型装备 2022年2期
关键词:渐开线双键齿根

赵岽

(太原重工股份有限公司,山西 太原 030024)

宽厚板矫直辊传递扭矩大,矫直速度高,通过万向接轴与辊子轴头连接进行传动。矫直辊轴头主要有渐开线花键轴头和双键槽轴头两种形式,渐开线花键轴头具有自动定心、联接精度高、拆装便捷、互换性好、运行平稳可靠的优点。由于外花键尺寸参数受轴颈尺寸的限制,其承载能力比双键槽轴头的承载能力低。在矫直过程中,花键受咬入冲击和加速度造成瞬间扭矩过大,会发生断齿现象,造成矫直辊因齿面修复困难而报废。因此结合双键槽轴头的结构特点对渐开线花键轴头进行改进,达到提升渐开线花键轴头的承载能力,延长辊子使用寿命,提高矫直能力。

1 同规格矫直辊两种轴头承载能力对比

以一台4300 mm宽厚板矫直机为例,按同规格矫直辊的两种轴头形式分别进行承载能力计算。矫直辊参数:

辊径D:220 mm

轴颈d0:130 mm

材料:60CrMoV

许用剪应力[τ]:180 MPa

屈服强度:≥750 MPa

抗拉强度:980~1050 MPa

1.1 渐开线花键轴头承载能力

配有渐开线花键轴头的矫直辊结构如图1所示。

轴头渐开线花键规格为:EXT25Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995,轴伸l=180 mm,输入扭矩T1=20 kN·m。由计算可知,此规格外花键轴头满足输入扭矩20 kN·m承载能力要求[1]。

1.2 双键槽轴头承载能力

配有双键槽轴头的同规格矫直辊结构如图2所示。

双键槽轴头直径∅130k6,输入扭矩T2=30 kN·m,输入扭矩较大,轴头采用两个相隔180°的普通A型平键连接,键宽b=32 mm、键高h=18 mm、键长L=180 mm,键槽公差选用P9紧密连接,为提高键的许用挤压应力,键的材质采用42CrMo,经调质热处理,达到许用挤压应力σpp≥270 MPa。

1.2.1 按弯扭合成强度计算轴头直径

由于辊子设计结构、作用在轴头上载荷大小及位置已确定,可按弯扭合成法进行强度计算,并且计算结果是偏于安全的。

式中,d为轴头直径;M2为轴头受万向接轴附加载荷的弯矩;ψ为校正系数,取ψ=0.3;σ-1P为材料在对称循环状态下的许用弯曲应力,取σ-1P=90 MPa;D1为万向接轴外径,D1=250 mm。

由于轴头采用两个相隔180°的平键,轴径应增大7%,轴头直径d=130 mm,满足强度要求。

图1 配有渐开线花键轴头的矫直辊Figure 1 Straightening roll with involute spline shaft head

图2 配有双键槽轴头的矫直辊Figure 2 Straightening roll with double key groove shaft head

1—具有双键槽轴头的矫直辊 2—花键轴套 3—A型平键 4—连接螺栓图3 加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊Figure 3 Straightening roll mounted with large-sized involute spline shaft sleeve

1.2.2 轴头扭转应力强度计算

轴头扭转应力强度τ为:

式中,K为键槽应力集中系数,取K=1.8。τ≤[τ],轴头扭转应力满足强度条件。

1.2.3 键的挤压强度计算

键的挤压强度σp为:

σp≤σpp,键的挤压强度满足要求。

通过以上计算,双键槽轴头满足输入扭矩30 kN·m承载能力要求。

由以上计算结果可以看出,提高键的许用挤压应力后,同规格矫直辊的双键槽轴头承载能力比渐开线花键轴头承载能力大1.5倍左右。由于渐开线花键轴头的承载能力主要受齿根最大剪切应力的限制,而扭转与弯曲强度还有较大余度[1],因此可结合两种轴头结构,在双键槽轴头基础上加装大规格渐开线花键轴套,以降低齿根最大剪切应力,提升承载能力。

2 渐开线花键轴头结构改进方案

2.1 改进方案

加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊改进方案,如图3所示。

在具有双键槽轴头的矫直辊上,通过A型平键和连接螺栓,加装大规格渐开线花键轴套。考虑轴颈d0=130 mm、万向接轴外径D1=250 mm,对安装空间的限制,可选加大的渐开线花键规格:

EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T3478.1—1995《圆柱直齿渐开线花键模数 基本齿廓 公差》,轴长l=180 mm。此方案结合两种轴头形式的特点,既有渐开线花键轴头自动定心、联接精度高、拆装便捷、互换性好、运行平稳可靠的优点,又有双键槽轴头较大的承载能力,结构简单、实用性强。

2.2 改进后渐开线花键轴套承载能力

由以上计算得出双键槽轴头满足输入扭矩为T2=30 kN·m承载能力的要求,故以此扭矩对花键强度进行计算。由于在实际使用中失效形式多为花键断齿,所以主要计算花键齿根剪切强度。

2.2.1 齿根剪切强度计算

(1)计算剪切应力

式中,K为较多齿渐开线花键系数,取K=0.3;Dee为外花键大径的基本尺寸,Dee=170 mm;Die为外花键小径的基本尺寸,Die=157.5 mm;dh为作用直径,经计算,dh=160.9 mm。

(2)计算齿根最大剪切应力

τFmax=τtn·αtn=111.2 MPa

式中,atn为应力集中系数,经计算,atn=3.03;ρ为齿根圆角半径,ρ=0.75 mm;h为全齿高,h=(Dee-Die)/2=6.25 mm。

(3)计算许用剪切应力

τFp=σFp/2=351.4/2=175.7 MPa

齿根许用弯曲应力σFp为:

σFp=σb/(SFK1K2K3K4)=351.4 MPa

式中,SF为安全系数1.1~1.5,取SF=1.2;K1为使用系数,取K1=1.25;K2为齿侧间隙系数,取K2=1.1;K3为分配系数,公差等级低于5级时为1.3~1.6,取K3=1.3;K4轴向偏载系数,取K4=1.3。

τFmax≤τFp,齿根剪切强度安全。

2.2.2 花键轴头扭转与弯曲强度计算

(1)计算当量应力

弯曲应力σFn为:

(2)计算许用应力

σvp=σs/(SFK1K2K3K4)=268.96 MPa

σv≤σvp,扭转与弯曲强度安全。

通过以上计算,EXT33Z×5m×30P×6H/6f GB/T 3478.1—1995外花键轴套满足输入扭矩30 kN·m承载能力要求。改进后的矫直辊轴头结构,相比于原EXT25Z×5m×30P×6H/6f外花键轴头的承载能力大幅提高。

3 结语

采用双键槽轴头加装大规格渐开线花键轴套的矫直辊轴头,结合了两种轴头形式的特点,矫直辊相比于原渐开线花键轴头的承载能力提高了1.5倍,结构简单、实用性强。矫直辊的传动是一个整体系统,提升轴头的承载能力只是其中的一个环节,要实现对矫直力矩的提升,还需全面提升整个传动系统的能力。

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