關于機械過載保護機構中剪斷銷的設計與應用

摘 要：在諸多傳動系統即工程機械的動力裝置和驅動裝置之間的傳動部件的設備應用中，為了有效地保護其中的動力裝置的主要元件或者主要部件時，最基本的保護措施就是加設機械過載保護機構。在機械過載保護機構中，簡單有效的零件就是剪斷銷。

關鍵詞：傳遞動力 保護措施 機械過載保護機構 剪斷銷

中圖分類號：TD355 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0009-02

眾所周知，機械傳動的過載會引起嚴重后果，輕者可能導致部件變形，卡死斷裂，重者可能會引起重大事故，故我們務必研究過載保護，重視過載保護機構。

機械過載保護機構應用于很多傳動系統中，傳動系統的類型主要分為機械式、液力機械式、全液壓式和電動輪式等。這里主要分析機械式的傳動系統中的過載保護機構，比如有齒輪傳動，鏈輪傳動，帶傳動等等。

現以鏈輪傳動中的過載保護結構分析為例。

鏈傳動是在兩個或多于兩個鏈輪之間用鏈作為撓性元件的一種嚙合傳動，因其經濟、可靠，故廣泛應用于農業、采礦、冶金、起重、運輸、石油、化工、紡織等各種機械的動力傳動中。

1 過載保護機構的安裝使用位置

在鏈輪傳動中，最基本結構組成是電動機通過減速機減速，把轉矩傳遞給減速機輸出軸上的鏈輪（這里稱為主動鏈輪）。再通過一定距離的鏈條傳動，把轉矩傳遞給下一組鏈輪（這里稱為傳動鏈輪）。其中主動鏈輪的轉速高，所受扭矩相對小，傳動鏈輪的轉速低，所傳遞的扭矩大。

因為：功率P=力F×速度V（速度V=半徑r×角速度ω）

所以：功率P=力F×半徑r×角速度ω；

又：扭矩=力F×半徑r；

功率P=扭矩×角速度ω。

上述功率：P為發動機功率；力F為輸出軸上圓周的推力；扭矩為發動機扭矩；半徑R為曲軸半徑；角速度ω為曲軸角速度。

由式子功率P=扭矩×角速度ω可以看出：

當轉速提高，發動機功率達到最大時，增加轉速，扭矩降低了。

以此類推，當電動機轉速最高時，通過減速之后，輸出的扭矩大。

過載保護應該布置轉速相對較低，轉矩相對較大的傳動鏈輪中，要求當輸出軸發生過載現象時能及時中斷力和運動，但是輸入端驅動軸仍可繼續轉動。這樣就需將其中的傳動鏈輪的結構進行改進。

2 過載保護裝置的結構

為了達到能保護主要元件的功能，其中傳動鏈輪作為過載保護裝置，結構應設計為達到一定載荷要求時，主運動（外鏈輪）和從運動（輪轂）應脫離。基本結構設計如圖1所示。

其中1—鏈輪通過鏈條傳動與電機鏈輪連接傳動，2—輪轂通過連接平鍵與輸出軸連接。鏈輪與輪轂通過剪斷銷周向連接進行傳動，如圖2所示。這樣，當輸出軸上的負載產生的扭矩過大，超出動力元件能承受的范圍，此時，12—剪斷銷被剪斷，1—鏈輪和2—輪轂在轉動方向可脫離，有效的保護了動力元件，使其工作不能超出額定工作范圍。1—鏈輪和2—輪轂在轉動方向脫離后，11—拐臂被彈起，可以外接行程開關，用于剪斷銷被剪斷后的信號輸出顯示或報警等。

3 剪斷銷的結構設計

根據剪斷銷的工作原理及安裝使用位置，剪斷銷的結構設計為圓柱體型，如圖2所示。其中兩端分別銷型式連接于鏈輪和輪轂上，剪斷銷中間部位根據使用設計要求應設計為一變徑的結構型式。

當輪轂所在軸的載荷過大時，鏈輪與輪轂之間就會形成一個周向的剪切力，此作用力作用在剪斷銷上，使剪斷銷中部受到剪切力，根據設計扭矩的要求即可設計剪斷銷的尺寸及結構。

4 剪斷銷的設計實例

確定設計任務：

輸入端驅動軸的輸出扭矩額定輸出轉矩M主已確定，要求設計一種能保證≤的結構，即≤。當過載保護起作用時，應當為0。這種結構即為剪斷銷結構。

以圖3所示的實際尺寸，來進行剪斷銷的設計說明。

圖3中的部件參數如下：

已知電動機的選擇，依據《機械設計手冊》第四卷，《天津減速機股份有限公司》中，二級直聯型選型表：

功率為P=5.5 kW，額定轉速1500 r/min；

減速機的選擇，依據《機械設計手冊》第四卷，《天津減速機股份有限公司》行星擺線針輪減速機中的二級立式直聯型減速機的選擇：

為二級直連式減速，傳動比為i減=1/187；

輸出軸許用轉矩為M減=4070 N·m

主動鏈輪：

傳動節距P=31.75 mm，齒數為Z1=23；

鏈輪：

傳動節距P=31.75 mm，齒數為Z2=35；

兩鏈輪中心距為a=878 mm

根據轉矩通過變速結構傳動時，傳動比和轉矩的傳遞關系。

減速機輸出軸的轉矩：

M主=M減=4070 N·m

減速機輸出軸上的主動鏈輪，通過P=31.75 mm鏈條與負載軸上的鏈輪進行鏈接傳動，傳動比為兩鏈輪的齒數比值，

則，鏈輪所受轉矩則為：

N·m

鏈輪周圓上所受力為：，其中M從=6.2×103N·m，=167 mm

剪斷銷離軸心的距離為90 mm，則有以下關系：

，

剪斷銷發生剪斷，是所產生周向力使剪斷銷受到一個剪切力的作用，。

此時，剪斷銷發生剪切時所能承受的最大剪切應力為[]，根據《機械設計手冊》，45號鋼[]=178 MPa（MN/m2）；理論計算數據之上擴大約3%～5%；

即滿足條件：≥時，剪斷銷被剪斷。其中

其中，F為剪切力；A為剪斷銷截面積；d—剪斷銷的截面直徑。

綜上可得：

d≤×（1.03～1.05）

=×（1.03～1.05）

=12.8～13.1 mm

因此，剪斷銷的最佳直徑應設定為13 mm。

綜上實例的設計過程，在已知動力原件的額定輸出時，根據各級的傳動情況，就可以設計出過載保護機構中剪斷銷的所需用規格尺寸。另外，如果已知輸出軸能承受的最大的負載時，也能根據額定負載設計剪斷銷的規格。

眾所周知電路上經常安裝有“保險絲”，當電流過大時，保險絲首先被熔斷，可保證電路上其它電路元件的安全。機器上有時也需要安裝“保險器”，即機械式過載保護裝置，使它成為機械中的一個薄弱環節，一旦機器過載，過載保護裝置首先破壞或自動脫開直接或間接相連的工作零部件，以免使其他零部件遭到破壞，起到過載保護的作用。

5 結論

目前，不僅僅是在常用的常見的機械方面、電子方面等應用廣泛，在很多其他大型或精密系統設備中也加設使用。過載保護的類型也多種多樣，破壞式過載保護，脫離復位式過載保護，過載保護開關等等。過載保護，看似簡單，但是要做好并不容易，也需要綜合考慮很多方面的因素來進行設計使用。

參考文獻

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[2]成大先.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業出版社，2008，1.

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[4]天津減速機股份有限公司[J].天津：行星擺線針輪減速機，2000.