摘要：本文基于机械设计理论，对大型宽厚板轧机万向接轴结构进行创新设计研究。通过深入分析轧机工况和现有万向接轴的不足，运用机械设计原理进行选型、参数和结构设计创新，并借助强度分析和制造测试环节验证设计的合理性与可靠性。研究成果为提升大型宽厚板轧机万向接轴性能、推动轧机技术发展提供了理论与实践支撑。

关键词：机械设计理论；大型宽厚板轧机；万向接轴；结构创新设计

1.机械设计理论基础

机械设计理论在万向接轴设计中起着关键作用。运动学和动力学原理是分析万向接轴运动和受力的基础。通过运动学原理，可研究输入轴与输出轴的角速度、角位移变化，确保运动传递的准确性。动力学原理则用于计算扭矩、弯矩等载荷，为强度设计提供数据支持。材料选择与应用理论也不容忽视，合适的材料能使万向接轴在恶劣工况下稳定运行。例如，在大型宽厚板轧机万向接轴中，需选择承载能力强、耐磨的材料。加工工艺设计理论影响着万向接轴的制造精度和成本，合理的工艺可提高生产效率和产品质量[1]。

2.大型宽厚板轧机万向接轴现状分析

大型宽厚板轧机的万向接轴工作条件极为恶劣，需传递大扭矩并承受频繁冲击载荷。以某钢厂5500mm宽厚板轧机为例，其万向接轴曾多次出现法兰叉头断裂等问题，严重影响生产。现有万向接轴主要有滑块式和十字轴式。滑块式虽承载能力强，但铜滑块磨损快、润滑困难，维护成本高。十字轴式应用广泛，其中SWZ型、SWP型和SWC型各有优缺点。如SWZ型适用于大扭矩、冲击频繁且轴线倾角≤7°的工况；SWP型装配工艺简单，适用于大扭矩、冲击较频繁、轴线倾角≤10°的工况；SWC型轴线倾角大，但刚性较差。国内在万向接轴技术方面虽有进步，但与国外先进水平相比仍存在差距，如自主研发能力薄弱、产品质量不稳定等[2]。

3.基于机械设计理论的万向接轴创新设计

3.1选型设计创新

根据机械设计中根据工况选择合适零部件的原则，结合大型宽厚板轧机的特点，本文选用SWP型十字轴式万向接轴。在选型过程中，充分考虑轧机的扭矩传递需求、冲击载荷大小以及许用倾角等因素。某钢厂5500宽厚板粗轧机主传动万向接轴，电机功率10000kW，电机转速50-120rpm，最大许用倾角8°，工作辊最小辊径1110mm。通过对不同类型万向接轴的承载能力、适用工况进行对比分析，确定SWP型十字轴式万向接轴最能满足该轧机的需求。

在确定类型后，依据最大承载能力选型设计原则确定规格尺寸。考虑到轧辊侧空间限制，轧辊侧万向节回转直径须小于工作辊最小直径，电机端万向节回转直径则大于或等于轧辊侧。经计算，该轧机主传动万向接轴轧辊侧选用回转直径1100mm的SWP1100型，电机侧选用回转直径1200mm的SWP1200型。

3.2参数设计创新

在十字包参数设计方面，圆柱滚子直径、数量、长度以及游隙等参数的确定是关键。以SWP1100和SWP1200万向节十字包为例，利用插值法初步确定基本参数后，根据滚动体运转顺畅无卡滞的要求，结合经验公式计算周向游隙。如对于圆柱滚子滚动体，两个滚子之间的游隙一般取0.01-0.04mm，滚子周向总游隙一般在0.7-1.2mm范围内取值。考虑到冲击载荷和传递扭矩较大的工况，采用带凸鼓度的滚子以减少边缘效应。通过优化这些参数，提高了轴承的使用寿命和万向接轴的可靠性。

在法兰端面齿参数设计方面，精确计算齿形相关参数，如齿高、齿宽、齿根倾斜角等。根据几何关系推导端面齿尺寸计算公式，依据经验确定相关参数取值范围，如当端面齿齿数Z在96-144之间时，s取2.8mm，R取2.5mm。通过合理设计这些参数，确保法兰端面齿能够有效传递扭矩，提高万向接轴的连接可靠性。

3.3结构设计创新

电机侧和轧辊侧万向节均采用SWP型剖分轴承座十字轴式结构，并设置防耷头装置。该装置有效解决了万向节在运输和装拆过程中耷头的问题，避免关键零部件磨损或损坏。防耷头装置包括调节装置和连接构件，通过限制主动件和从动件之间的旋转自由度来实现防耷头功能，且调节装置可调节长度，方便使用。

中间轴采用空心管拼焊而成，不仅减小了转动惯量，还降低了对相关装置的影响。同时，中间轴与相关件采用端面齿联接，这种联接方式具有自动锁紧定心、对中性好、传递扭矩大、平稳性和可靠性高等优点。轧辊侧扁头套圆周面与轧机工作辊采用大、小定心环定心方式，确保了轧辊侧万向节与工作辊的准确连接，提高了传动的可靠性。此外，万向接轴各部件的联接方式选用端面齿联接，进一步增强了万向接轴的整体可靠性。

4.万向接轴强度分析与验证

4.1基于经验公式的强度分析

以辊端万向节（SWP1100）为例，在十字轴弯曲强度校核方面，将十字轴所受载荷简化为作用于圆柱滚子组中心部位的集中载荷，按经验公式计算十字轴危险截面最大弯曲应力，得出在预计峰值扭矩作用下，十字轴弯曲安全系数满足使用要求。在十字包组合轴承强度校核方面，根据Hertz弹性接触理论，推导出组合轴承圆柱滚子接触应力公式，并计算滚动体额定动负荷和额定静负荷，确保圆柱滚子接触应力小于许用接触应力。对于法兰叉头应力的校核，考虑其在传递最大扭矩时的弯曲应力和扭转应力，通过建立力学模型，计算不同断面的应力值，评估法兰叉头的强度可靠性。

4.2有限元强度分析

利用有限元软件MSC.Marc对轧辊侧万向节（SWP1100）进行强度校核。首先，根据万向接轴的设计尺寸参数，利用Inventor建立三维模型，并将其导入MSC.Marc软件中进行网格划分和模拟装配。在有限元计算模型前处理过程中，遵循网格划分原则，对接触或受力关键部位进行网格细化处理，对非关键部位实施网格粗化。通过对万向节装配体施加载荷和约束条件，模拟其在实际工作中的受力状态。在最大倾角8°状态下，按电机输出切断扭矩和设定的最大扭矩对万向节施加载荷，得到主要零件的应力分析结果，验证了万向接轴结构设计的合理性和主要件材质选择的合理性。

5.万向接轴制造与测试

5.1制造工艺保障

法兰叉头加工：螺纹孔采用旋风铣加工成型，具有加工效率高、精度高、表面粗糙度低等优点。在加工过程中，进行多次严格探伤，确保法兰叉头无影响使用效果的裂纹存在。

十字轴加工：采用渗碳淬火工艺，轴颈采用磨削加工，表面粗糙度达Ra0.4。渗碳淬火处理使轴颈表面硬度达到HRC58-62，渗碳层深度达到2.5mm-3.5mm，提高了轴颈的耐磨性和疲劳强度。同时，十字轴在加工过程中也进行多次探伤，确保其质量可靠。

5.2检验测试验证

万向接轴发往用户现场后，安装调试维护过程中的各项检验测试工作对确保其可靠运行至关重要。安装前，对万向接轴进行全面检查；安装时，严格按照刻线位置对齐安装，检查所有紧固件并采取防松措施；调试期间，检查鼓形齿联轴器是否存在卡阻，确定万向接轴偏转角度是否满足工况要求；试轧期间，测试高性能板坯轧制时万向接轴的运转情况；运转期间，定期检查万向接轴的运转情况；运转满12个月后，对万向接轴下机检测，检查十字轴、扁头套、定心环、端面齿等关键部位的磨损情况，对法兰叉头、十字轴等关键零件进行无损探伤，验证了创新设计在万向接轴中的应用效果。

结束语：

综上，本文基于机械设计理论对大型宽厚板轧机万向接轴进行结构创新设计，通过选型、参数和结构设计创新，结合强度分析和制造测试验证，成功研制出满足大型宽厚板轧机使用工况的万向接轴，解决了原万向接轴存在的问题，提高了轧机的运行可靠性。未来的研究，可进一步优化万向接轴设计，推动大型宽厚板轧机技术的发展，提高我国轧机装备的国际竞争力。

参考文献：

[1]李明，张华.机械设计理论与实践新进展[M].北京：机械工业出版社，2021.

[2]王强，刘辉.大型轧机万向接轴技术现状与发展趋势[J].重型机械，2022（03）：1-6.

[3]陈杰，赵刚.基于有限元分析的万向接轴结构优化设计[J].机械设计与制造，2023（05）：20-23.