隨著我國(guó)冶金行業(yè)的快速發(fā)展，中寬厚板是近幾年乃至將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間發(fā)展的必然趨勢(shì)，從而對(duì)該板軋機(jī)生產(chǎn)線重大機(jī)械裝備的技術(shù)水平也要求越來(lái)越高、越來(lái)越先進(jìn)。重載型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器是用于中寬厚板軋鋼機(jī)的主傳動(dòng)軸，與傳統(tǒng)的梅花聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器、十字滑塊聯(lián)軸器相比，它具有結(jié)構(gòu)合理、傳動(dòng)扭矩大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，是整個(gè)軋機(jī)的核心傳動(dòng)部件。
但是在實(shí)際使用中該聯(lián)軸器仍然存在著缺點(diǎn)：一方面，與以往的分離式十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器相比，該聯(lián)軸器的叉頭孔較大，根部強(qiáng)度較弱；另一方面，現(xiàn)有的這種聯(lián)軸器內(nèi)輪廓曲面極為復(fù)雜，制造和裝配難度大。以河北京誠(chéng)聯(lián)軸器廠生產(chǎn)的中寬厚板軋鋼機(jī)聯(lián)軸器為例，對(duì)叉頭部分建立了三維有限元分析模型，并進(jìn)行求解和分析，提出了叉頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采取的措施。
1 有限元分析的前處理
考慮到有限元軟件的建模功能較弱，首先在PRO/E環(huán)境下建立法蘭叉頭的三維實(shí)體模型，如圖1所示
在進(jìn)行有限元分析之前，首先要獲得零件的相關(guān)材料屬性。這些屬性包括：材料名稱、材料密度、材料的楊氏模量、材料的泊松比等。聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)向節(jié)零件所采用的材料為40Cr。該材料相關(guān)參數(shù)如下：
楊氏模量（YOUNG_MODULUS)=206GPa
泊松比（POISSON_RATIO)=0.30
材料密度（MASS_DENSITY)=7850KG/m3
由于40Cr屬于塑性材料，因此采用屈服極限σs=785MPa作為該材料的極限應(yīng)力，并采取安全系數(shù)為2，此時(shí)材料的許用極限應(yīng)力為：[σ]=σs/ns=393MPa
法蘭叉利用推力軸承與十字軸相配合，地面與其它軸（中間軸、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸）相聯(lián)接。在PRO/E中對(duì)法蘭叉模型采用三維四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格智能網(wǎng)格細(xì)分。這樣將該零件劃分為57，212個(gè)節(jié)點(diǎn)，292，856個(gè)單元，如圖2所示。然后為轉(zhuǎn)向節(jié)賦予材料屬性，包括：彈性模量E=206GPa,泊松比為μ=0.3,材料密度ρ=7850kg/m3/根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)的工作狀態(tài)對(duì)其添加約束。在工況下，法蘭叉孔徑處受到的力如圖3所示�？紤]不到法蘭叉承受的載荷為轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩在力學(xué)模型上可以轉(zhuǎn)化作用于叉頭徑向，位于寬度中點(diǎn)的集中載荷，底面的各接點(diǎn)為全約束，將建立起來(lái)的有限元模型在有限元軟件中求解，其應(yīng)力如圖3所示。
 
2有限元分析的求解和后處理
建立有限元模型的基本原則是確保模型的準(zhǔn)確性。在滿足準(zhǔn)確性的前提下可適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，例如在進(jìn)行有限元分析時(shí)，往往只要求了解某些部位和區(qū)域的應(yīng)力分布情況，而不必要分析整個(gè)零件。因此在建立幾何模型時(shí)，就無(wú)須將所有特征做出來(lái)，特別是一些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且又不影響分析區(qū)域的特征，完全可以不做出或者以一個(gè)簡(jiǎn)單的特征來(lái)代替它。
有限元軟件在讀入外部數(shù)據(jù)時(shí)并不進(jìn)行單位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，因此在幾何建模時(shí)采用的模型單位、載荷單位，楊氏模量的單位都將影響到最后計(jì)算結(jié)果的單位。為例保證計(jì)算時(shí)的量綱與設(shè)計(jì)習(xí)慣一致，在有限元分析中采用表1中的量綱
3 結(jié)果分析
在判斷零件的分析結(jié)果是否滿意時(shí)，首先應(yīng)考慮零件上出現(xiàn)的最大應(yīng)力值是否小于材料的許用應(yīng)力；零件的變形量是否小于許用變形量。如果在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能使零件的應(yīng)力分布均勻，并盡可能多的采用應(yīng)力分布的結(jié)構(gòu)。
通過對(duì)法蘭叉的有限元分析，最終得到如圖4的應(yīng)力云圖。從圖上來(lái)看法蘭叉的危險(xiǎn)截面在叉頭根部?jī)A角為45°的面上，此結(jié)果與以往的經(jīng)驗(yàn)吻合。最大應(yīng)力為139MPa,小于材料的許用應(yīng)力。因此在正常的工作條件下，叉頭是安全的，但是如果工作條件惡劣，傳遞扭矩大，當(dāng)出現(xiàn)過載時(shí)，叉頭就可能發(fā)生破壞。
4 結(jié)論
聯(lián)軸器是實(shí)際工程中大量使用的軸聯(lián)接裝置，盡管它的結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單、體積小，但在生產(chǎn)加工過程中起著舉足輕重的作用，一旦聯(lián)軸器發(fā)生斷裂，勢(shì)必給生產(chǎn)造成影響，因此聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，根據(jù)以上的分析結(jié)果，對(duì)于聯(lián)軸器中法蘭叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：
（1）由于法蘭叉的內(nèi)輪廓曲面極為復(fù)雜，制造和裝配均有很大的難度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大叉頭根部的強(qiáng)度和過渡圓角值；
（2）正常工況下，法蘭叉最大應(yīng)力小于屈服極限，可以正常工作，當(dāng)出現(xiàn)過載時(shí)，法蘭叉可能發(fā)生破壞。
（3）在對(duì)法蘭叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮用簡(jiǎn)單的幾何曲面代替原來(lái)的叉頭內(nèi)輪廓，使根部最大應(yīng)力降低，提高其強(qiáng)度，同時(shí)也可以提高其結(jié)構(gòu)工藝性。
（4）為了降低叉頭根部應(yīng)力，可以保證十字軸裝備要求的前提下，加大叉頭根部的尺寸，使根部應(yīng)力降低，提高其強(qiáng)度。
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