作者：刘 明
（山东石横特钢集团有限公司，山东 泰安271612）
摘 要：梅花轴头承受冲击载荷，因热装配和装后急冷的影响加剧了梅花瓣根部裂纹的产生和发展，虽几经改进，将材质由ZG35改为42CrMo并增加梅花瓣部位的表面淬火，再改为整体调质，轴头寿命仍较短。为此，将梅花轴头的梅花瓣与人字齿轮轴套筒分离，其间采用法兰联接，法兰采用精制螺栓联接，同时在法兰端面中心径向增加“通键”，改进后的轴头已使用了1年多的时间，目前仍在使用中。
关键词：轧机；梅花轴头；法兰联接；螺栓联接
1 前言
山东石横特钢集团有限公司（简称石横特钢）棒材车间小型生产线现有两架Φ400三辊轧机，布置形式为横列式，轧件穿梭轧制，传动形式为集中传动。其分速箱为三联箱，伞齿轮轴中心距为400mm，工作中主要承受较大的冲击负荷。三联箱与梅花套之间的连接件为梅花轴头，梅花轴头与三联箱齿轮轴之间采用的是较大过盈量的过盈配合连接，靠轴头与轴之间较大的过盈量来传递工作扭矩。轧钢生产近10年来，随着年产量的不断提高，设备负荷不断增大，暴露出梅花轴头的寿命太短，不能适应生产的需要，甚至逐渐成为制约生产的薄弱环节。受分速箱齿轮中心距的限制，万向接轴的外形尺寸不能过大，限制了万向连接轴的承载能力，不能满足同时传动两架轧机的要求，传动形式不便改变；同时考虑到目前这条生产线的整体寿命不会太长，改用万向连接轴的一次性投入较大，运行成本高，综合效益不好。因此，只能在目前的传动方式下，通过分析梅花轴头的失效形式，对其进行优化设计改进。
2 梅花轴头失效形式分析
2.1 Z初设计
原设计轴头材质为ZG35，没有热处理要求，铸造后加工成形的轴头内部组织疏松，晶粒粗大，强度低，其产量寿命约5万t，与Z初的年产量基本一致。维修周期相对较长，当时能够满足车间生产的需要。主要的失效形式为梅花瓣的严重磨损和根部裂纹，甚至断裂。而且在整个产量寿命过程中，生产钢材大约至3万t时，梅花瓣的磨损已较严重，传动间隙增大，造成三联箱上中下三辊的旋转不同步，导致轧件缠辊等工艺事故，不能正常生产。维修方式是对梅花瓣进行焊补，但焊接产生内应力，加剧了梅花瓣在根部产生裂纹的速度。同时，梅花瓣处没有设计过渡圆角，加剧了应力集中，影响了使用寿命。
2.2 次轴头改进
材质改为42CrMo优质合金结构钢，锻造毛坯，增加了对梅花瓣部位的表面淬火处理，并在梅花瓣的根部增加了R5的圆弧角，减少了应力集中的倾向。通过改进，产量寿命达到了10万t，根据目前的年产量，其使用寿命约3、4个月。主要的失效形式为梅花瓣根部裂纹。分析认为，产生裂纹主要有以下原因：（1）轴头受冲击载荷太大；（2）加热装配后为加快维修速度采取的激冷降温措施；（3）表面淬火的处理工艺仅增加梅花瓣的表面硬度，但整体组织的均匀性差，尤其是晶界产生裂纹的倾向增大。
2.3 第二次改进
轴头材质仍选用42CrMo优质合金结构钢，梅花瓣表面淬火的处理工艺改为整体调质处理。应用表明，综合产量寿命达到了15万t左右，但其失效形式仍然是根部产生裂纹。
3 进一步改进方案
根据梅花轴头的裂纹特点，断裂部位Z主要在梅花瓣的根部，甚至裂纹是从外圆开口处开始，轴头承受冲击载荷，该部位是薄弱环节，这是机械设计中存在的缺点；对轴头的热处理采用整体调质处理，但由于轴头采用了较大的过盈配合，装配过程中预热时的高温破坏了轴头的热处理效果；装配后为缩短维修时间采用激冷方式冷却，且由于工件厚、外形大，产生了很大的热应力，加快了裂纹的产生发展。
针对以上分析，结合万向接轴轴头的形式，将梅花瓣从梅花轴头整体分离出去可以减少维修时间，改善热装配过程中产生的应力集中和对组织的影响。针对十字万向接轴的联接型式，决定对梅花轴头的结构进行改进，在保证强度的同时，降低梅花轴头更换的时间。将梅花轴头的梅花瓣与人字齿轮轴套筒分离，其间采用法兰联接，法兰采用精制螺栓联接；同时在法兰端面中心径向增加“通键”，以增强梅花轴头的许用转矩。
改进后，一旦出现梅花轴头深裂纹、断裂，更换时只需拆装螺栓即可，大大节约了检修时间，同时由于梅花瓣与轴头分离，装配中没有对其进行热装及冷却处理，较好地保持了梅花瓣热处理的效果。
4 改进效果
改进后的梅花轴头自2005年8月9日投入使用了1年多的时间，梅花瓣根部未出现裂纹，目前仍在使用中。此次改造，投资少，解决了困扰生产的难题，减少了备件及维修费用，减少了维修时间，降低了操作人员的劳动强度，满足了生产需要。
来源：《山东冶金》2006年第6期