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提高Φ400軋機三聯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生和發展，雖幾經改進，將材質由ZG35改為42CrMo并增加梅花瓣部位的表面淬火，再改為整體調質，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，其間采用法蘭聯接，法蘭采用精制螺栓聯接，同時在法蘭端面中心徑向增加“通鍵”，改進后的軸頭已使用了1年多的時間，目前仍在使用中。 （山東石橫特鋼集團有限公司，山東 泰安271612）
關鍵詞：軋機；梅花軸頭；法蘭聯接；螺栓聯接
1 前言
山東石橫特鋼集團有限公司（簡稱石橫特鋼）棒材車間小型生產線現有兩架Φ400三輥軋機，布置形式為橫列式，軋件穿梭軋制，傳動形式為集中傳動。其分速箱為三聯箱，傘齒輪軸中心距為400mm，工作中主要承受較大的沖擊負荷。三聯箱與梅花套之間的連接件為梅花軸頭，梅花軸頭與三聯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。軋鋼生產近10年來，隨著年產量的不斷提高，設備負荷不斷增大，暴露出梅花軸頭的壽命太短，不能適應生產的需要，甚至逐漸成為制約生產的薄弱環節。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，不能滿足同時傳動兩架軋機的要求，傳動形式不便改變；同時考慮到目前這條生產線的整體壽命不會太長，改用萬向連接軸的一次性投入較大，運行成本高，綜合效益不好。因此，只能在目前的傳動方式下，通過分析梅花軸頭的失效形式，對其進行優化設計改進。
2 梅花軸頭失效形式分析
2.1 Z初設計
原設計軸頭材質為ZG35，沒有熱處理要求，鑄造后加工成形的軸頭內部組織疏松，晶粒粗大，強度低，其產量壽命約5萬t，與Z初的年產量基本一致。維修周期相對較長，當時能夠滿足車間生產的需要。主要的失效形式為梅花瓣的嚴重磨損和根部裂紋，甚至斷裂。而且在整個產量壽命過程中，生產鋼材大約至3萬t時，梅花瓣的磨損已較嚴重，傳動間隙增大，造成三聯箱上中下三輥的旋轉不同步，導致軋件纏輥等工藝事故，不能正常生產。維修方式是對梅花瓣進行焊補，但焊接產生內應力，加劇了梅花瓣在根部產生裂紋的速度。同時，梅花瓣處沒有設計過渡圓角，加劇了應力集中，影響了使用壽命。
2.2 次軸頭改進
材質改為42CrMo優質合金結構鋼，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，減少了應力集中的傾向。通過改進，產量壽命達到了10萬t，根據目前的年產量，其使用壽命約3、4個月。主要的失效形式為梅花瓣根部裂紋。分析認為，產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，尤其是晶界產生裂紋的傾向增大。
2.3 第二次改進
軸頭材質仍選用42CrMo優質合金結構鋼，梅花瓣表面淬火的處理工藝改為整體調質處理。應用表明，綜合產量壽命達到了15萬t左右，但其失效形式仍然是根部產生裂紋。
3 進一步改進方案
根據梅花軸頭的裂紋特點，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，該部位是薄弱環節，這是機械設計中存在的缺點；對軸頭的熱處理采用整體調質處理，但由于軸頭采用了較大的過盈配合，裝配過程中預熱時的高溫破壞了軸頭的熱處理效果；裝配后為縮短維修時間采用激冷方式冷卻，且由于工件厚、外形大，產生了很大的熱應力，加快了裂紋的產生發展。
針對以上分析，結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間，改善熱裝配過程中產生的應力集中和對組織的影響。針對十字萬向接軸的聯接型式，決定對梅花軸頭的結構進行改進，在保證強度的同時，降低梅花軸頭更換的時間。將梅花軸頭的梅花瓣與人字齒輪軸套筒分離，其間采用法蘭聯接，法蘭采用精制螺栓聯接；同時在法蘭端面中心徑向增加“通鍵”，以增強梅花軸頭的許用轉矩。
改進后，一旦出現梅花軸頭深裂紋、斷裂，更換時只需拆裝螺栓即可，大大節約了檢修時間，同時由于梅花瓣與軸頭分離，裝配中沒有對其進行熱裝及冷卻處理，較好地保持了梅花瓣熱處理的效果。
改進后的梅花軸頭自2005年8月9日投入使用了1年多的時間，梅花瓣根部未出現裂紋，目前仍在使用中。此次改造，投資少，解決了困擾生產的難題，減少了備件及維修費用，減少了維修時間，降低了操作人員的勞動強度，滿足了生產需要。
來源：《山東冶金》2006年第6期
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