范振枫 汤军立 陈伟
江阴兴澄特种钢铁有限公司江苏 无锡 214434
摘要：矫直机主传动齿轮箱输出轴与辊盒工作辊花键轴之间通过万向轴连接，其中老式的轴套与花键套都是沉孔设计、双头螺柱及键连接，此装配结构存在多种缺点。通过万向轴机构改进，消除了以上多种缺点，且矫直能力得到提升。
关键词：九辊矫直机、万向轴、键连接、沉孔设计、承载能力
一、改造前情况说明
预、热矫直机主传动齿轮箱输出轴与辊盒工作辊花键轴之间通过万向轴连接，其中老式的轴套与花键套都是沉孔设计、双头螺柱，万向轴与箱端轴套、辊端花键套之间配置键连接。（参见图一）。
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图一 老式万向轴结构图
图中1是分配箱输出轴轴套，2是万向轴，3是辊盒工作辊花键套，4是键，5是M20双头螺栓。
该万向轴装配在生产中存在的问题：
（1）每台矫直机配置9根万向轴装配，其结构紧凑、再加上沉孔设计双头螺柱连接方式，一旦螺丝松动或键磨损后在生产过程中双头螺栓受剪切力断裂，沉孔中遗留的断螺柱不易取出，不仅造成热停（非计划检修时间）时间过长，严重的断螺丝取不出后只能报废更换轴套或花键套，导致备件异常消耗。
（2）由于产品结构的调整，矫直钢板的平均厚度逐年上升，部分钢板厚度已经超出原有设计能力，导致产生万向轴十字包、叉头断裂，轴承损坏的故障。
（3）此万向轴为不可伸缩式，为了保证快速换辊，辊端采用花键套筒传动，所以万向轴也不能设计成为伸缩式，再加上轴套和花键套沉孔螺栓设计，这就导致一旦万向轴发生故障或者使用周期已到需要更换时，拆装万向轴时需要预留一段空间，使预装好的双头螺栓能够插入万向轴端面螺栓孔内，这就需要将辊盒向外抽出一段距离，装好万向轴后再将辊盒装到位，需要花费相当长的时间，通常更换一根万向轴需要3小时。
（4）预、热矫直机所用万向轴尺寸不一致（预、热矫直机万向轴长度相差55mm），备件不能互换。由于备件维修周期较长，通常需要6-8个月，而万向轴一般的使用周期是9-12个月，为了保证正常生产的需要，预热矫需要各自预备6根万向轴作为机旁备件，导致机旁费用较高。
二、与热矫直机万向轴技改预定目标
为了解决上述问题，制定如下技改目标：
（1）降低螺栓断裂的可能性，一旦螺栓断裂，能迅速的更换新螺栓，更换一个端面的连接螺栓控制在15分钟以内。
（2）提升万向轴承载能力，降低因矫直机超负荷使用时导致万向轴故障的发生，同时延长万向轴的使用周期至少6个月。
（3）万向轴的更换时间缩短到1小时以内。
（4）降低矫直机万向轴备件的库存费用，备件数量至少降低一半。
三、技改实施过程
（1）快速更换螺栓，降低螺栓断裂故障：
最简单的就是取消沉孔设计，采用法兰式对穿螺栓连接，一旦螺栓断裂可直接取出。
将原有轴套直接增加法兰，势必会增大轴套和万向轴的回转直径，原有万向轴及轴套的回装直径是285mm，法兰连接回转直径至少要增加到315mm。由于矫直机配置了9根万向轴，结构紧凑，轴与轴之间间隙狭小，已经不能增加回转直径。在这种情况下，要改成法兰连接，在不影响强度的情况下，只能适当加长轴套来实现。同时将原有的键连接改为端面齿连接，避免了因键变形、松动造成螺栓受剪切力而断裂（如图二）。辊盒端花键套也同步改进。
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图二 改进后箱端轴套和辊端花键套
（2）提升万向轴承载能力：
根据图纸查得，原有万向轴疲劳扭矩53KN.m,极限扭矩150KN.m，仅比常规的SWC285万向轴稍有提高，已经不能满足现有的生产需求。要增加万向轴的承载能力，最简单的是增大万向轴的回转直径，在第（1）条的改进方案里面已经叙述了此万向轴的安装环境，已经不允许增大回转直径。那只能改变材质和进行一些热处理工序来增加万向轴的承载能力。通过与几个万向轴厂家的交流，最终确定了如下方案：
万向轴装配主要零部件辊端花键套、箱端轴套和万向轴中的叉头、十字轴、轴承壳等均采用锻件材质和性能改进，其主要技术要求：
叉头：材质：34Cr2Ni2Mo锻件；热处理形式：调质处理，调质硬度：HB269-302；锻件按JB/T5000.8-2007《重型机械通用技术条件 锻件》中规定的IV组验收,超声波探伤按JB/T5000.15-2007《重型机械通用技术条件 锻钢件无损探伤》中规定的II级验收。
十字轴：材质：20Cr2Ni4A、锻件；热处理形式：渗碳淬火，有效渗碳层深度3.0～3.5mm，淬火后硬度58～62HRC；锻件按JB/T5000.8-2007《重型机械通用技术条件 锻件》中规定的V组验收,超声波探伤按JB/T5000.15-2007《重型机械通用技术条件 锻钢件无损探伤》中规定的II级验收。
轴承壳：材质：17Cr2Ni2Mo、锻件；热处理形式：渗碳淬火，有效渗碳层深度2.0～2.5mm，淬火后硬度58～62HRC；锻件按JB/T5000.8-2007《重型机械通用技术条件 锻件》中规定的III组验收,超声波探伤按JB/T5000.15-2007《重型机械通用技术条件 锻钢件无损探伤》中规定的III级验收。
通过计算，改进后万向轴疲劳扭矩为119.5KN.m，极限扭矩为211.6KN.m。疲劳扭矩提升了1.25倍，极限扭矩提升0.4倍。
（3）缩短万向轴更换时间：
通过第1）条法兰键连接改为端面齿连接及沉孔螺栓改为对穿式螺栓的措施，已经能够避免更换万向轴时拆装辊盒，从而缩短2/3的时间。
（4）降低万向轴库存：
目前由于预热矫万向轴尺寸不一致，不能通用，导致需要备2种型号万向轴。这次改进只需要将万向轴和辊盒端齿套尺寸保持一致，原先万向轴的尺寸偏差通过改变齿轮箱轴套的尺寸来保证就能解决。预热矫万向轴互换后只需要备有5根万向轴备件就能保证周转，将万向轴的存库费用降低一半以上。
通过以上4条改进措施，完美的解决了目前矫直机存在万向轴难更换、费时；万向轴装配易损坏、故障频繁，使用寿命周期短；预、热矫直机所用万向轴尺寸不一致，备件不能互换的问题。
四、结语
钢板矫直是现代热轧板材生产一项必不可少的工序，矫直效果的好坏直接影响产品质量及竞争力。兴澄厚板分厂在2017年开始矫直机能力提升改造后，效果显著，矫直机的可靠性、稳定性都比较好，为生产高品质的钢板创造了基本条件。矫直机能力提升改造后，能满足更高档次更高要求产品的矫直，提高产品的市场竞争力；同时矫直机的稳定也提升了矫直的效率，降低了物耗和能耗，减少了生产运营成本，使资源利用更为合理高效。
参考文献
（1）《重型机械通用技术条件 锻件》
（2）《重型机械通用技术条件 锻钢件无损探伤》
（3）《机械设计手册（第六版）：单行本。常用设计资料》 成大先 2017.2
（4）《联轴器设计选用手册》 文斌 2009.1