隨著我國冶金行業的快速發展，中寬厚板是近幾年乃至將來很長一段時間發展的必然趨勢，從而對該板軋機生產線重大機械裝備的技術水平也要求越來越高、越來越先進。重載型十字軸式萬向聯軸器是用于中寬厚板軋鋼機的主傳動軸，與傳統的梅花聯軸器、齒式聯軸器、十字滑塊聯軸器相比，它具有結構合理、傳動扭矩大、傳動效率高、傳動平穩、承載能力高、噪音低等優點，是整個軋機的核心傳動部件。
但是在實際使用中該聯軸器仍然存在著缺點：一方面，與以往的分離式十字軸萬向聯軸器相比，該聯軸器的叉頭孔較大，根部強度較弱；另一方面，現有的這種聯軸器內輪廓曲面極為復雜，制造和裝配難度大。以河北京誠聯軸器廠生產的中寬厚板軋鋼機聯軸器為例，對叉頭部分建立了三維有限元分析模型，并進行求解和分析，提出了叉頭結構設計可采取的措施。
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環境下建立法蘭叉頭的三維實體模型，如圖1所示
在進行有限元分析之前，首先要獲得零件的相關材料屬性。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。聯軸器和轉向節零件所采用的材料為40Cr。該材料相關參數如下：
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力，并采取安全系數為2，此時材料的許用極限應力為：[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、主動軸、從動軸）相聯接。在PRO/E中對法蘭叉模型采用三維四面體單元進行網格智能網格細分。這樣將該零件劃分為57，212個節點，292，856個單元，如圖2所示。然后為轉向節賦予材料屬性，包括：彈性模量E=206GPa,泊松比為μ=0.3,材料密度ρ=7850kg/m3/根據轉向節的工作狀態對其添加約束。在工況下，法蘭叉孔徑處受到的力如圖3所示。考慮不到法蘭叉承受的載荷為轉矩，該轉矩在力學模型上可以轉化作用于叉頭徑向，位于寬度中點的集中載荷，底面的各接點為全約束，將建立起來的有限元模型在有限元軟件中求解，其應力如圖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確性。在滿足準確性的前提下可適當簡化模型，例如在進行有限元分析時，往往只要求了解某些部位和區域的應力分布情況，而不必要分析整個零件。因此在建立幾何模型時，就無須將所有特征做出來，特別是一些結構較復雜且又不影響分析區域的特征，完全可以不做出或者以一個簡單的特征來代替它。
有限元軟件在讀入外部數據時并不進行單位的自動轉換，因此在幾何建模時采用的模型單位、載荷單位，楊氏模量的單位都將影響到最后計算結果的單位。為例保證計算時的量綱與設計習慣一致，在有限元分析中采用表1中的量綱
3 結果分析
在判斷零件的分析結果是否滿意時，首先應考慮零件上出現的最大應力值是否小于材料的許用應力；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上，應盡可能使零件的應力分布均勻，并盡可能多的采用應力分布的結構。
通過對法蘭叉的有限元分析，最終得到如圖4的應力云圖。從圖上來看法蘭叉的危險截面在叉頭根部傾角為45°的面上，此結果與以往的經驗吻合。最大應力為139MPa,小于材料的許用應力。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，當出現過載時，叉頭就可能發生破壞。
4 結論
聯軸器是實際工程中大量使用的軸聯接裝置，盡管它的結構一般較簡單、體積小，但在生產加工過程中起著舉足輕重的作用，一旦聯軸器發生斷裂，勢必給生產造成影響，因此聯軸器的結構設計非常重要，根據以上的分析結果，對于聯軸器中法蘭叉的結構設計提出以下幾點建議：
（1）由于法蘭叉的內輪廓曲面極為復雜，制造和裝配均有很大的難度，因此在設計時應加大叉頭根部的強度和過渡圓角值；
（2）正常工況下，法蘭叉最大應力小于屈服極限，可以正常工作，當出現過載時，法蘭叉可能發生破壞。
（3）在對法蘭叉進行結構設計時，可以考慮用簡單的幾何曲面代替原來的叉頭內輪廓，使根部最大應力降低，提高其強度，同時也可以提高其結構工藝性。
（4）為了降低叉頭根部應力，可以保證十字軸裝備要求的前提下，加大叉頭根部的尺寸，使根部應力降低，提高其強度。
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