重载十字轴式万向节的关键技术及正向设计理论研究

摘要

重载十字轴式万向节是轧钢机主传动系统中的关键部件，通常也是其薄弱部件。重载十字轴式万向节的失效会导致整个主传动系统的破坏，进而导致整个轧钢生产线的停顿，造成巨大的经济损失。因此通过建立重载十字轴式万向节的正向设计理论体系，提高其设计寿命及可靠性具有重要意义。本文在对十字轴式万向节进行运动学分析、动力学分析、结构分析的基础上建立了以避免运动干涉为前提的等强度正向设计理论体系。主要研究内容及成果如下:
　　(1)采用空间投影几何法，建立了双十字轴式万向节的运动方程，并分析了相位角、轴间夹角对瞬时转角差、瞬时转速差的影响以及转动起始位置对转角差的影响，为分析双十字轴式万向节的弹性变形、间隙及制造公差对十字轴式万向节运动特性的影响提供了理论依据。采用空间投影几何法及坐标变换法建立了十字轴式万向节中轴承的运动方程，分析了轴承的运动特性，并证明:主动叉头的轴承的运动特性与从动叉头的轴承运动特性不同，为分析、设计十字轴式万向节的轴承提供了依据。
　　(2)建立了轧钢机主传动系统的扭转振动方程，提出了使用系数KA的概念，并给出了KA的计算方法。采用柔度影响系数法建立了主传动系统的弯曲振动模型，分析了质量偏心及十字轴式万向节的附加弯矩对弯曲振动的影响，并进一步分析了在咬钢和抛钢阶段存在的弯扭耦合振动现象。通过对十字轴式万向节的弯曲振动分析，提出了派生载荷系数KB，并给出了计算方法。采用面向对象的建模法UML建立了轧钢机主传动系统的动力学分析软件的模型，建立了VB.NET和MATLAB之间的混合编程技术，并利用该技术提出该软件平台的快速搭建技术。
　　(4)通过对局部应力集中系数与局部曲率之间关系的分析，提出了应力二次分散方法，用于设计应力集中系数更小的变曲率过渡圆角。采用应力二次分散方法设计了十字轴轴根的变曲率过渡圆角，并利用有限元法验证了变曲率过渡曲线的有效性。此外，采用复合形法编写了设计最优的十字轴轴根的双曲率过渡圆角的程序。
　　(5)通过对十字轴式万向节失效形式的分析，确定了十字轴式万向节的设计准则。通过对主机、负荷进行综合分析，确定了重载十字轴式万向节的载荷系数的确定方法。在考虑叉头及十字轴具体结构的前提下，建立了以避免运动干涉为前提，并满足强度要求的重载十字轴式万向节的正向设计理论。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外重载十字轴式万向节相关技术的差距

1．3 国内外重载十字轴式万向节的发展趋势

1．3．1 十字轴式万向节的起源

1．3．2 单十字轴式万向节的不等速性的分析

1．3．3 十字轴式万向节的等速传动条件的分析

1．3．4 十字轴式万向节的静力分析与设计

1．3．5 十字轴式万向节的动力学分析和设计

1．3．6 重载十字轴式万向节

1．4 研究意义、主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 十字轴式万向节的运动学分析

2．1 双联十字轴式万向节的运动学分析

2．1．1 双联十字轴式万向节的匀速传动理论

2．1．2 求解

2．1．3 输出轴转角

2．1．4 输出轴转速

2．2 实验与分析

2．2．1 相位角和轴间夹角对转角差及转速差的影响

2．2．2 相位角和轴间夹角对转角差极值及转速差极值的影响

2．2．3 转动起始位置对转角差的影响

2．3 十字轴式万向节中轴承的运动特性分析

2．3．1 求解

2．3．2 运动学实例分析和验证

2．4 本章小结

第三章 重载十字轴式万向节的使用系数

3．1 扭转振动对使用系数KA的影响

3．1．1 主传动系统的扭振动力学模型

3．1．2 轧钢机主传动系统扭转振动的模态分析

3．1．3 轧钢机主传动系统的扭振分析

3．2 主传动系统动力学分析软件的开发

3．2．1 MATLAB与VB．NET的混合编程

3．2．2 基于UML的主传动系统动力学分析软件的开发

3．3 本章小结

第四章 弯曲振动对派生载荷系数KB的影响

4．1 十字轴式万向节的弯曲振动分析

4．1．1 十字轴式万向节弯曲振动的动力学模型的建立

4．1．2 弯振的实例分析

4．1．3 派生载荷系数KB

4．2 弯扭耦合振动

4．2．1 弯扭耦合振动模型的建立

4．2．2 算例

4．3 本章小结

第五章 应力二次分散及其在十字轴中的应用

5．1 应力集中与过渡圆角

5．2 应力二次分散

5．3 应力二次分散在十字轴上的应用

5．3．1 变曲率过渡曲线的设计

5．3．2 有限元模型

5．3．3 轴根曲线的优化设计及验证

5．3．4 变曲率过渡圆弧在十字轴中应用的普适性分析

5．3．5 双曲率过渡曲线的优化设计软件的开发

5．4 本章小结

第六章 十字轴式万向节的正向设计方法

6．1 引言

6．2 十字轴式万向节的失效形式及设计准则

6．2．1 失效形式

6．2．2 设计准则

6．2．3 计算载荷

6．3 十字轴式万向节轴承的设计方法

6．4 基于十字轴式万向节传动理论的运动干涉分析

6．4．1 叉头顶端与底部的干涉

6．4．2 叉头两侧的干涉

6．4．3 叉头顶部与叉头底部内侧的干涉

6．5 十字轴式万向节设计步骤和方法

6．6 本章小结

第七章 全文总结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 建议

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果