2种无螺栓十字轴万向联轴器的比较

　　轧钢机等大型机械设备上使用的十字轴式万向联轴器通常是无螺栓十字轴式万向联轴器[1]，它采用的是整体叉头结构，克服了分离式十字轴万向联轴器的许用倾角小，螺栓容易松动和断裂等缺点。而目前在机械行业中广泛被采用的无螺栓十字轴式万向联轴器仍有很大的缺点，它的内轮廓曲面复杂，制造安装很困难，叉头孔大，根部强度弱。如150轧钢机上的无螺栓十字轴万向联轴节就存在着这样的问题。现提出1种新式的无螺栓万向联轴器，其结构和强度均优于原联轴器。
　　1　结构对比
　　150轧钢机上的原无螺栓十字轴万向联轴器叉头的实体图和剖面图如图1所示。从图中可看出，该叉头内轮廓曲面是由若干小曲面构成，不易安装制造。新式的叉头实体图和剖面图如图2所示，该叉头外轮廓仍采用原来形状，而内轮廓曲面由一较简单的曲面代替。该内轮廓曲线采用的是“圆弧—直线—圆弧”的线形[2]，见图3。整条线形用et1t2t3t4b表示，其中et1、t2t3、t4b为3条直线，t1t2，t3t4为2条圆弧，其圆心分别为O1 ，O2 。圆弧t1t2与直线et1、t2t3相切，圆弧t3t4与直线t2t3 、t4b相切，t1、t2、t3、t4为4个切点。该曲线的形状由圆心O1、O2的位置控制，即改变O1，O的坐标就可以改变叉头结构尺寸。
　　2　强度比较
　　通过有限元分析[3]和现场调查研究，可发现原150轧钢机上叉头的破坏一般发生在根部45°面上。以叉头底面为XOZ面，底面圆心为圆点，过圆点和叉头孔轴线的面为XOY面，建立坐标系。为了更好地拟合实体的复杂结构，选择10节点4面作单元，利用Cosmosm 程序的功能，对叉头实体结构进行自动网格划分，实体网格如图4所示，其节点数为2624，单元数为1319。联轴器传递的转矩为200 kN•m，在实际工作工程中，转矩大小不变，那么在力学模型上，该转矩可以简化为作用在叉头径向，位于宽度中点的集中载荷。载荷信息列于表1。
　　考虑到叉头承受的载荷为转矩，叉头底面的各节点应为全约束，如图4。有限元分析计算后，得到应力填色图，从图中可得Z大应力发生在坐标值（-101.007，147.704，-103.603）和（-101.007，147.704，103.603）2点处，其值为432MPa。对新结构的叉头进行优化[4]，优化方法与详细过程已有专著介绍，此处不在重复叙述，其有限元计算过程中单元形状、约束条件、加载方式及载荷大小均与前述相同。可发现当圆心O1的坐标为（162.4253，299.415），O2的坐标为（35，164.7）时，叉头的Z大应力Z小。Z大应力发生在坐标为（-67.736，92.646，-111.28）和（-67.736，92.646，111.28）2点处，其值为407MPa。
　　3　结论
　　（1）从以上介绍的新旧2种无螺栓十字轴万向联轴器叉头的结构可知，新式叉头结构简单，制造装配方便，其工艺性远高于原叉头。
　　（2）由强度比较可知，新叉头的Z大应力比原叉头的Z大应力降低了25MPa，约为原Z大应力值的518%。新叉头的强度比原叉头有很大的提高。
　　（3）现场调查发现叉头破坏一般发生在根部45°面上，用有限元法计算，Z大应力位于Y坐标75～155mm的实体上，计算结果与现场情况一致。
　　参考文献
　　[1]杨贵明.SWC型十字轴式万向联轴器.机械工程师,1994(1):29-30
　　[2]柯尊忠,袁华.机械零件的应力优化设计.中国机械工程,1994(10):64-66
　　[3]刘钊,王绍华等.COSMOS/M有限元程序在Tkamak装置设计中的应用.合肥工业大学学报,1997.20(3):16-21
　　[4]DouglasMBates,Danald GWarls.非线性回归分析及其应用.韦博成,万方焕,朱宏图译.北京:中国统计出版社,23-74