李 超，王小虎

(神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

聯(lián)軸器是連接兩根軸或者軸與回轉(zhuǎn)部件，在旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)傳遞扭矩且具備一定緩沖和減振的保護(hù)作用，而又不改變初始旋轉(zhuǎn)方向和扭矩大小的一種機(jī)械裝置。聯(lián)軸器的種類眾多，其中彈性聯(lián)軸器是礦山機(jī)械領(lǐng)域較常見的一類，其學(xué)名叫做“非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器”[1]，它常被用在中、高轉(zhuǎn)速且存在一定載荷沖擊的場合來傳遞扭矩。

BHDDF350型聯(lián)軸器就屬彈性聯(lián)軸器，是在用某型1 000 kW變頻三機(jī)驅(qū)動部減速機(jī)與電機(jī)之間的傳動部件。該型聯(lián)軸器較易損壞，某公司范圍內(nèi)僅在2016—2018年間，其損壞數(shù)量就達(dá)12套之多，總價值達(dá)160余萬元。同時，井下因更換聯(lián)軸器所造成的設(shè)備停機(jī)損失耗費(fèi)了巨大的人力和物力。鑒于此，對該型聯(lián)軸器的失效進(jìn)行了分析，同時也提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，以供業(yè)內(nèi)參考。

1 聯(lián)軸器失效分析

1.1 BHDDF350型聯(lián)軸器介紹

BHDDF350型聯(lián)軸器安裝位置：BHDDF 350型聯(lián)軸器位于電機(jī)與減速機(jī)之間的中間箱內(nèi)，限矩器安裝在減速器輸入軸上，該型聯(lián)軸器安裝在電機(jī)輸出軸上，二者通過螺栓連接，如圖1所示。

1-減速機(jī)；2-限矩器；3-中間箱；4-BHDDF350型聯(lián)軸器；5-電機(jī)

BHDDF350型聯(lián)軸器組成：該型聯(lián)軸器主要由5部分構(gòu)成，如圖2所示，其顯著特點是彈性塊中心軸線處在同平面內(nèi)沿徑向均勻分布。彈性塊是橡膠類材質(zhì)，另有一個尼龍卡箍(圖中未標(biāo)出)安裝在左右爪盤重疊部位，用來防止彈性塊在高速旋轉(zhuǎn)過程中受慣性力牽引而飛出。

1-電機(jī)聯(lián)軸盤；2-左爪盤；3-彈性塊；4-右爪盤；5-限矩器連接盤

1.2 運(yùn)行工況

BHDDF350型聯(lián)軸器的驅(qū)動電機(jī)是某型1 000 kW變頻電機(jī)，該電機(jī)額定輸出扭矩為6.53 kN·m[2]；電機(jī)軸伸側(cè)使用圓柱滾子軸承，盲端使用球軸承，由此可見電機(jī)在正常工作期間，其轉(zhuǎn)子軸向竄動及溫升伸長余量會出現(xiàn)在其軸伸側(cè)，這個由“伸長余量”產(chǎn)生的軸向力將最終作用在聯(lián)軸器上。刮板輸送機(jī)所承受的實時負(fù)載由采煤機(jī)瞬時割煤量決定，同時受片幫落煤、大塊煤的影響，其負(fù)載是呈非周期性變化的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩也會相應(yīng)地變化，因此聯(lián)軸器最終承受的是一個不規(guī)則的脈動沖擊力。綜上可知，該型聯(lián)軸器工作時既要傳遞不規(guī)則的脈動沖擊扭矩，也要承受一定的軸向力。

1.3 主要失效形式

BHDDF350型聯(lián)軸器最常見的損壞形式就是“打齒”，如圖3所示。這種損壞形式的主要特點是左右兩個爪盤同時出現(xiàn)“打齒”現(xiàn)象，且打齒的方向也都在同一側(cè)。

圖3 聯(lián)軸器“打齒”損壞

1.4 “打齒”原因及分析

“打齒”原因：①從圖3可以看出，“打齒”現(xiàn)象的發(fā)生是由于左右爪盤的卡爪直接嚙合接觸造成的。該型聯(lián)軸器完好狀態(tài)時，左右爪盤是由12件圓柱形橡膠彈性塊均勻間隔開的，不會出現(xiàn)爪盤直接接觸的現(xiàn)象，因此，造成圖3所示結(jié)果的直接原因就是12件彈性塊同時失效且即將失效的彈性塊未被井下作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)并及時更換。彈性塊失效后，左右爪盤接觸，然后“打齒”現(xiàn)象發(fā)生，最后聯(lián)軸器整體失效；②彈性塊失效造成聯(lián)軸器整體損壞的案例在其它機(jī)型的三機(jī)上并不常見。通常，彈性塊不是較易損配件，其它機(jī)型三機(jī)聯(lián)軸器的彈性塊更換周期較長，一般是每次設(shè)備升井維修時視情況予以更換。如果不是同期發(fā)生大批量同種形式破壞，我們不應(yīng)懷疑彈性塊材料存有質(zhì)量問題[3]。

力學(xué)分析：由于該型聯(lián)軸器承受著不規(guī)則扭矩T和一定的軸向力F0，而彈性塊是連接該型聯(lián)軸器左右爪盤的唯一介質(zhì)，因此彈性塊是T和F0的最終作用對象。如圖4所示，F(xiàn)為彈性塊所承受的圓周切線方向的擠壓力，彈性塊是沿徑向分布，電機(jī)輸出扭矩一定時，受力臂變大小影響，各彈性塊所承受的擠壓力F沿徑向由內(nèi)到外逐步減小，對彈性塊的失效分析只考慮其最大值[4]。

F=9.55P/n/K·L=T/(K·L)

(1)

式中：T—電機(jī)的額定輸出扭矩為6.53 kN·m；L—彈性塊底平面到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，即力臂為102 mm；K—彈性塊的總數(shù)量，該型聯(lián)軸器為12。經(jīng)計算，F(xiàn)=5.33 kN，折算后，該型聯(lián)軸器單個彈性塊承受的圓周方向擠壓力約0.54 t；同時考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子伸長量對聯(lián)軸器彈性塊造成的軸向擠壓力，單個彈性塊同時承受著F和F0的合力，因此，單個彈性塊總受力將遠(yuǎn)不止0.54 t。

圖4 彈性塊受力分析示意圖

綜上，可認(rèn)為是單個彈性塊承受的巨大壓力導(dǎo)致其底部首先失效，繼而沿徑向自內(nèi)而外失效，最終彈性塊整體報廢，使得聯(lián)軸器左右爪盤直接接觸。

2 聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計

2.1 改進(jìn)設(shè)計要求及思路

設(shè)計要求：設(shè)計聯(lián)軸器時首先要確保其能夠可靠地傳遞如扭矩、軸向力、徑向力等負(fù)荷，其次是應(yīng)考慮被連接兩軸在不共軸時也能夠可靠工作，三是保證所有零件均能可靠地定中心和周向定位，具有良好的平衡性，并且拆裝方便[5]。因此，對一個聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計必須要考慮能否滿足承載能力、能否滿足安裝工藝要求、是否具備高可靠性以及改進(jìn)后性價比如何[6]。

設(shè)計思路：此次改進(jìn)設(shè)計的關(guān)鍵在于如何延長彈性塊的使用壽命。在不改變聯(lián)軸器整體最大外徑的前提下，通過改變彈性塊的空間布局方式，將徑向空間布局改變?yōu)槠叫休S線空間布局，以減少彈性塊所承受的壓力，最終達(dá)到延長其使用壽命的目的。

2.2 聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計方案

改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器由5部分組成，如圖5所示，由左至右依次是電機(jī)聯(lián)軸盤、左卡爪、彈性塊、右卡爪、限矩器連接盤。其中電機(jī)聯(lián)軸盤、彈性塊、限矩器連接盤均與BHDDF350型聯(lián)軸器具備良好的互換性。改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器與BHDDF350型聯(lián)軸器彈性塊總數(shù)保持一致，承載能力不變，最大徑向尺寸(即爪盤外徑)不變，且軸向安裝距離(即電機(jī)聯(lián)軸盤左端面到限矩器連接盤右端面之間的裝配距離)不變。改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器左爪盤為彈性塊預(yù)留了特定大小與特定深度的安裝沉槽，聯(lián)軸器組對時彈性塊可先插裝到左爪盤，且不掉落，再與右爪盤組對，方便快速。

1-電機(jī)聯(lián)軸盤；2-左爪盤；3-彈性塊；4-右爪盤；5-限矩器連接盤

2.3 平行軸線布局彈性塊受力分析

如圖6所示，F(xiàn)′為彈性塊所承受的圓周切線方向的擠壓力，彈性塊沿軸線方向分布，電機(jī)輸出扭矩一定時，彈性塊沿軸線方向受力F′大小一致。將彈性塊自身軸線與聯(lián)軸器中心軸線的距離，即力臂L′=148 mm代入式(1)，經(jīng)計算，F(xiàn)′=6.53/(0.148×12)=3.68 kN。經(jīng)計算，單個彈性塊承受的圓周方向擠壓力約0.37 t；改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器留有軸向自由度，彈性塊不會再因電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向伸長余量而承受額外的軸向力，即此時的F0為0。因此，改進(jìn)后的聯(lián)軸器單個彈性塊承受合力就是F′，較改進(jìn)設(shè)計之前降低30%以上。

圖6 改進(jìn)設(shè)計后的彈性塊受力

2.4 聯(lián)軸器改進(jìn)前后對比

性能對比：改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器兼顧了與BHDDF350型聯(lián)軸器分部件的互換性，保證了承載能力及關(guān)鍵外形尺寸不變和核心安裝尺寸的一致，其彈性塊采用軸向布局，單個彈性塊約減少承受0.17 t擠壓力，最大受力降低30%以上，將大大延長彈性塊的使用壽命，有效防止聯(lián)軸器整體失效事件的發(fā)生。

成本對比：改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器預(yù)設(shè)沉槽使得安裝方便，相較BHDDF350型聯(lián)軸器無需使用尼龍卡箍，可減少使用過程中的配件費(fèi)用支出。同時，軸向結(jié)構(gòu)比徑向結(jié)構(gòu)更簡單，所需加工制作成本也相對較少。

3 結(jié)論

(1)BHDDF350型聯(lián)軸器的失效具體原因是徑向分布的彈性塊同時承受著軸向壓力和圓周方向擠壓力，加速了彈性塊整體失效的進(jìn)程，繼而引發(fā)“打齒”現(xiàn)象，聯(lián)軸器的整體失效就此發(fā)生。

(2)改進(jìn)設(shè)計后的聯(lián)軸器，彈性塊受力均勻，且最大受力降比30%以上，可有效延長聯(lián)軸器的整體使用壽命，減少井下因頻繁更換聯(lián)軸器而產(chǎn)生的附加工作量。