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提高Φ400軋機(jī)三聯(lián)箱梅花軸頭壽命的措施

2013-01-23

作者：劉 明
（山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司，山東 泰安271612）
　　摘　要：梅花軸頭承受沖擊載荷，因熱裝配和裝后急冷的影響加劇了梅花瓣根部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，雖幾經(jīng)改進(jìn)，將材質(zhì)由ZG35改為42CrMo并增加梅花瓣部位的表面淬火，再改為整體調(diào)質(zhì)，軸頭壽命仍較短。為此，將梅花軸頭的梅花瓣與人字齒輪軸套筒分離，其間采用法蘭聯(lián)接，法蘭采用精制螺栓聯(lián)接，同時(shí)在法蘭端面中心徑向增加“通鍵”，改進(jìn)后的軸頭已使用了1年多的時(shí)間，目前仍在使用中。
　　關(guān)鍵詞：軋機(jī)；梅花軸頭；法蘭聯(lián)接；螺栓聯(lián)接
　　1　前言
　　山東石橫特鋼集團(tuán)有限公司（簡稱石橫特鋼）棒材車間小型生產(chǎn)線現(xiàn)有兩架Φ400三輥軋機(jī)，布置形式為橫列式，軋件穿梭軋制，傳動(dòng)形式為集中傳動(dòng)。其分速箱為三聯(lián)箱，傘齒輪軸中心距為400mm，工作中主要承受較大的沖擊負(fù)荷。三聯(lián)箱與梅花套之間的連接件為梅花軸頭，梅花軸頭與三聯(lián)箱齒輪軸之間采用的是較大過盈量的過盈配合連接，靠軸頭與軸之間較大的過盈量來傳遞工作扭矩。軋鋼生產(chǎn)近10年來，隨著年產(chǎn)量的不斷提高，設(shè)備負(fù)荷不斷增大，暴露出梅花軸頭的壽命太短，不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要，甚至逐漸成為制約生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。受分速箱齒輪中心距的限制，萬向接軸的外形尺寸不能過大，限制了萬向連接軸的承載能力，不能滿足同時(shí)傳動(dòng)兩架軋機(jī)的要求，傳動(dòng)形式不便改變；同時(shí)考慮到目前這條生產(chǎn)線的整體壽命不會(huì)太長，改用萬向連接軸的一次性投入較大，運(yùn)行成本高，綜合效益不好。因此，只能在目前的傳動(dòng)方式下，通過分析梅花軸頭的失效形式，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。
　　2　梅花軸頭失效形式分析
　　2.1 Z初設(shè)計(jì)
　　原設(shè)計(jì)軸頭材質(zhì)為ZG35，沒有熱處理要求，鑄造后加工成形的軸頭內(nèi)部組織疏松，晶粒粗大，強(qiáng)度低，其產(chǎn)量壽命約5萬t，與Z初的年產(chǎn)量基本一致。維修周期相對較長，當(dāng)時(shí)能夠滿足車間生產(chǎn)的需要。主要的失效形式為梅花瓣的嚴(yán)重磨損和根部裂紋，甚至斷裂。而且在整個(gè)產(chǎn)量壽命過程中，生產(chǎn)鋼材大約至3萬t時(shí)，梅花瓣的磨損已較嚴(yán)重，傳動(dòng)間隙增大，造成三聯(lián)箱上中下三輥的旋轉(zhuǎn)不同步，導(dǎo)致軋件纏輥等工藝事故，不能正常生產(chǎn)。維修方式是對梅花瓣進(jìn)行焊補(bǔ)，但焊接產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，加劇了梅花瓣在根部產(chǎn)生裂紋的速度。同時(shí)，梅花瓣處沒有設(shè)計(jì)過渡圓角，加劇了應(yīng)力集中，影響了使用壽命。
　　2.2 次軸頭改進(jìn)
　　材質(zhì)改為42CrMo優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛造毛坯，增加了對梅花瓣部位的表面淬火處理，并在梅花瓣的根部增加了R5的圓弧角，減少了應(yīng)力集中的傾向。通過改進(jìn)，產(chǎn)量壽命達(dá)到了10萬t，根據(jù)目前的年產(chǎn)量，其使用壽命約3、4個(gè)月。主要的失效形式為梅花瓣根部裂紋。分析認(rèn)為，產(chǎn)生裂紋主要有以下原因：（1）軸頭受沖擊載荷太大；（2）加熱裝配后為加快維修速度采取的激冷降溫措施；（3）表面淬火的處理工藝僅增加梅花瓣的表面硬度，但整體組織的均勻性差，尤其是晶界產(chǎn)生裂紋的傾向增大。
　　2.3 第二次改進(jìn)
　　軸頭材質(zhì)仍選用42CrMo優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，梅花瓣表面淬火的處理工藝改為整體調(diào)質(zhì)處理。應(yīng)用表明，綜合產(chǎn)量壽命達(dá)到了15萬t左右，但其失效形式仍然是根部產(chǎn)生裂紋。
　　3　進(jìn)一步改進(jìn)方案
　　根據(jù)梅花軸頭的裂紋特點(diǎn)，斷裂部位Z主要在梅花瓣的根部，甚至裂紋是從外圓開口處開始，軸頭承受沖擊載荷，該部位是薄弱環(huán)節(jié)，這是機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的缺點(diǎn)；對軸頭的熱處理采用整體調(diào)質(zhì)處理，但由于軸頭采用了較大的過盈配合，裝配過程中預(yù)熱時(shí)的高溫破壞了軸頭的熱處理效果；裝配后為縮短維修時(shí)間采用激冷方式冷卻，且由于工件厚、外形大，產(chǎn)生了很大的熱應(yīng)力，加快了裂紋的產(chǎn)生發(fā)展。
　　針對以上分析，結(jié)合萬向接軸軸頭的形式，將梅花瓣從梅花軸頭整體分離出去可以減少維修時(shí)間，改善熱裝配過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中和對組織的影響。針對十字萬向接軸的聯(lián)接型式，決定對梅花軸頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，降低梅花軸頭更換的時(shí)間。將梅花軸頭的梅花瓣與人字齒輪軸套筒分離，其間采用法蘭聯(lián)接，法蘭采用精制螺栓聯(lián)接；同時(shí)在法蘭端面中心徑向增加“通鍵”，以增強(qiáng)梅花軸頭的許用轉(zhuǎn)矩。
　　改進(jìn)后，一旦出現(xiàn)梅花軸頭深裂紋、斷裂，更換時(shí)只需拆裝螺栓即可，大大節(jié)約了檢修時(shí)間，同時(shí)由于梅花瓣與軸頭分離，裝配中沒有對其進(jìn)行熱裝及冷卻處理，較好地保持了梅花瓣熱處理的效果。
　　4　改進(jìn)效果
　　改進(jìn)后的梅花軸頭自2005年8月9日投入使用了1年多的時(shí)間，梅花瓣根部未出現(xiàn)裂紋，目前仍在使用中。此次改造，投資少，解決了困擾生產(chǎn)的難題，減少了備件及維修費(fèi)用，減少了維修時(shí)間，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了生產(chǎn)需要。
來源：《山東冶金》2006年第6期