卷筒聯軸器使用特性分析與比較

倪秋良+吳云剛

摘 要：該文主要介紹了冶金起重機中的關鍵部件--卷筒聯軸器，舉出了目前比較常用的幾種卷筒聯軸器型式，并根據其不同的特點進行了比較，著重闡明了各種卷筒聯軸器的調整、維護方法。

關鍵詞：卷筒聯軸器 ?冶金起重機 ?調整 ?維護

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0088-04

1 概述

在起重機起升機構的傳動系統中，起升卷筒與減速器低速軸之間的聯接是一個比較關鍵的部位。過去（20世紀80年代以前）比較常用的連接方式為帶齒輪連接盤或開式齒輪連接（見圖1a、圖1b）。

20世紀80年代改革開放后，隨著我國工業技術水平的提高，生產規模和效率的日益提升。原有的卷筒連接方式滿足不了現代的工業條件。比如帶齒輪連接盤型式，其承受徑向載荷的軸由于其結構尺寸受到限制，設計壽命滿足不了使用要求，而開式齒輪則因為有齒輪脫嚙的因素，其安全性存在隱患。

通過引進消化吸收國外的先進技術。尤其是在冶金行業，冶金起重機的卷筒連接方式有了較大的變化。采用了專用的卷筒聯軸器。

目前我國冶金起重機卷筒用聯軸器比較常用的主要有三種，即WJ系列卷筒用球面滾子聯軸器（以下簡稱“球面滾子聯軸器”），WZL型球鉸卷筒聯軸器（以下簡稱“球鉸聯軸器”）和DC系列卷筒用鼓形齒式聯軸器（以下簡稱“鼓形齒式聯軸器”）。

需要說明的是WZL型球鉸卷筒聯軸器和DC系列卷筒用鼓形齒式聯軸器為我國自主研發的卷筒聯軸器產品。

三種卷筒聯軸器的共同點是，作為一個獨立傳動部件，通過連接法蘭與卷筒連接，聯軸器的內套則是直接套裝在減速器的低速軸上，通過花鍵或平鍵傳遞扭矩和承受起升載荷。

WJ系列卷筒用球面滾子聯軸器的型式和技術要求已作為行業標準JB/T 7009-2007《卷筒用球面滾子聯軸器》，其他兩種聯軸器目前未有標準，在外形聯接尺寸以及技術要求上符合上述標準。

三種卷筒用聯軸器與減速器的標準配置均為：JB/T 8905.1～4-1999 《起重機用三支點減速器》或JB/T 10816～10816-2007《起重機用底座式硬齒面減速器》。配置其他類型減速器均需要特殊訂購。

三種卷筒用聯軸器的截面如圖2a、b、c所示。

2 卷筒聯軸器的工作原理

2.1 球面滾子聯軸器

沿圓周分布的球面滾子分別嵌入聯軸器外套的內圓和內套的外圓之間的圓柱形齒孔內，傳遞轉矩并承受徑向載荷，由于滾子的球面形狀，兼起調心軸承的作用以補償一定的角位移。

2.2 球鉸聯軸器

聯軸器的外套和內套之間的結合面為完整球面，內外套結合球面之間設置了兩個承受剪切力的特殊鍵用于傳遞扭矩。

此鍵嵌入外套的部分為矩形，嵌入內套的部分為圓柱形。其特點是在傳遞扭矩的同時，可以容忍內外套有一定量的角度位移。

2.3 鼓形齒式聯軸器

通過內外齒輪副傳遞扭矩，在齒圈的邊上設置了球面形狀的接觸面，用以承受徑向載荷。

3 卷筒聯軸器使用特性

3.1 軸線補償

由于在實際應用中，減速器低速軸的軸線與卷筒軸線不可避免軸線偏角誤差。因此，因此卷筒聯軸器都對軸線偏角誤差具有一定程度的容忍度，上述三種卷筒聯軸器由于其各自的結構不同，允許的軸線偏角誤差是不一樣的。

（1）球面滾子聯軸器，當軸線偏斜時，球面滾子在凹槽中的位置不穩定，會引起噪音和磨損，因此該種聯軸器所允許的軸線最大偏角為：1.5 °。

（2）球鉸聯軸器，由于這種聯軸器類似于萬向軸原理，當軸線偏斜時，由特殊鍵進行角度補償，理論上聯軸器內部零件受力情況變動較小，只是滑移量增大，傳動效率降低，因此該種聯軸器所允許的軸線最大偏角為：3 °。

（3）鼓形齒式聯軸器，由于徑向定位于內齒輪副有一定的距離，當軸線偏斜時，齒輪副的嚙合間隙受到影響，所允許的軸線偏斜量以齒輪副的間隙為限，因此該種聯軸器所允許的軸線最大偏角為：0.5 °。

因此看出三種型式的卷筒聯軸器中，球鉸聯軸器對起重機安裝精度要求最低。

鑒于上述的情況，建議在卷筒轉速較高的場合，優先采用球面滾子聯軸器為宜。在卷筒轉速較低而尺寸較長的情況下采用球鉸聯軸器為宜，卷筒長度較短的條件，則選用鼓形齒式聯軸器。

3.2 工作噪音

（1）球面滾子聯軸器，由于沿圓周分布著30～40個球面滾子，在旋轉過程中，因滾子的位置變化而產生噪音較大，尤其磨損后的聲音更大。

（2）球鉸聯軸器，由于主要靠球鉸面承受徑向載荷，且球鉸的尺寸較大，單位接觸壓力較低，主要是特殊鍵磨損后會有噪音。

（3）鼓形齒式聯軸器，由于主要靠球面承受徑向載荷，且球面的尺寸較大，單位接觸壓力較低，且在低速運轉情況下齒輪副即使有間隙也不會產生大的噪音。

因此看出三種型式的卷筒聯軸器中，鼓形齒式聯軸器的噪音最小。

3.3 失效特征

（1）球面滾子聯軸器，主要是聯軸器內外套的凹槽磨損，當磨損達到一定程度后，內外套直接接觸了，導致聯軸器失效。

（2）球鉸聯軸器，主要是聯軸器外套的鍵槽側面和特殊鍵的接觸面的磨損，當磨損達到一定程度后，導致特殊鍵斷裂為失效。

（3）鼓形齒式聯軸器，主要是齒輪副的和徑向定位球面的磨損，顯然斷齒是其的主要失效現象。

3.4 維護

聯軸器的維護要點主要是保證潤滑，因此定時對聯軸器進行注油是必要的，卷筒聯軸器一般都采用油脂潤滑，以上三種卷筒聯軸器，從結構特點上看出，需要保證潤滑的部位無非兩種部位，一是傳遞扭矩的部位，二是承受徑向載荷的部位。endprint

（1）球面滾子聯軸器傳遞扭矩和承受徑向載荷的就是沿圓周分布的球面滾子，因此要求每個球面滾子都應獲得較好的潤滑條件。而注油孔是不可能對應于每個滾子的，因此潤滑油通道的設計比較重要。也即該種聯軸器的潤滑條件比較差。

（2）球鉸聯軸器，靠特殊鍵傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。特殊鍵的潤滑比較重要，但是特殊鍵的數量僅為兩個，因此注油孔的位置對應特殊鍵部位即可，然而球面也不能缺油，因為球面的接觸面較大，一旦缺油，將引起較大的摩擦阻尼，使聯軸器的工作效率大大降低。而聯軸器球鉸面存油條件較差，因此該種聯軸器的潤滑條件也不是很理想的。

（3）鼓形齒式聯軸器，靠齒輪副傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。因此潤滑的主要部位是球面接觸的部位，而聯軸器外套的接觸面實際上是圓柱面（僅內套的接觸面為球面），因此是線接觸，接觸面之間可以存油，因此該種聯軸器的潤滑條件比較理想。

3.5 安全性

首先，卷筒聯軸器是起重機的核心部件之一，其破壞的后果直接導致起重機嚴重的安全事故，因此各種類型的卷筒聯軸器，其設計都是嚴格遵守起重機的技術和安全規范。在起重機安裝要求中卷筒軸線與減速器低速軸的軸向偏差都有著嚴格的要求。因此在聯軸器的設計、選用、制造質量和安裝精度得到保證的條件下，都有較高的安全系數。在運行過程中，只要保證聯軸器的潤滑，都可以獲得較長的使用壽命。

而起重機部件的故障遇見性比較重要，該部件在發生嚴重失效前，應有比較明顯的異常現象，是操作和檢修人員能夠及時地發現。另外該部件應有比較有效的措施以保證其安全性。

球面滾子聯軸器在實際運行中，球面滾子將隨外套的偏擺產生滾擺運動，當擺角較大時，載荷的水平分力將有可能使球面滾子竄動，滾子端面碾壓軸向擋環，對軸向擋環產生很大的擠壓力，若此擠壓力足夠大就有可能是軸向限位失效，進而導致端蓋螺栓松弛或斷裂，滾子在外套的擺動擠壓力作用小被擠出甚至脫落，聯接失效。

為了保證其安全性，軸向擋環的設計十分重要，建議采用嵌入式軸向擋環（見圖3），加大了原有的擋環尺寸并且使擋環與聯軸器的內套結為一體，有效地防止球面滾子跌落，大大地提高了聯軸器的安全性，不建議采用端蓋進行軸向定位的型式。

球面滾子聯軸器在過渡磨損時會發生較大的噪音。

球鉸聯軸器的特殊鍵（見圖4）是十分重要的零件，且數量只有兩件，一旦一個特殊鍵斷裂，另一個就要承受全部的扭矩，因此特殊鍵本身的設計應該考慮到這種情況。即單件承受全載荷。

特殊鍵的材料、熱處理加工都有嚴格的要求，因為采用了高強度合金鋼材料，其裂紋敏感性較高，因此在使用中需要特別關注特殊鍵的情況，然而特殊鍵位置在聯軸器內部，檢測比較困難。而除了保證特殊鍵的完好之外，目前還沒有別的提高該種聯軸器安全性的有效方法。

球鉸聯軸器由于其內部零件之間都是滑動摩擦，因此在過渡磨損時或缺油時會產生很大的阻尼，導致傳動效率降低。

鼓形齒式聯軸器的失效形式為斷齒或者球形承載面磨損，除非全部齒剃光。一般情況斷裂的一兩個齒，即被操作人員發現。因此該種聯軸器的安全性相對前兩種較高。

鼓形齒式聯軸器在發生故障時會有較大的異常響聲。

3.6 卷筒聯軸器的安裝特點

由于各種聯軸器對軸線偏差的敏感性有異，因此在安裝起升機構卷筒是首先應了解所配置的卷筒聯軸器類型，并嚴格按照相應的技術要求進行裝配和調整。

球面滾子聯軸器和鼓形齒式聯軸器本身有軸向間隙（即僅徑向定位，軸向浮動），不能承受軸向載荷，因此卷筒的軸向定位點位于卷筒尾部的支座處，卷筒尾軸的軸承需要進行軸向定位以承受軸向載荷。

球鉸聯軸器則是一個完整鉸點，既有徑向定位，又有軸向定位。因此配置了該種聯軸器的卷筒，其尾軸的軸承應留有軸向游動的間隙，推薦位軸承兩端各留>3 mm間隙，軸承座內孔建議采用G8配合。

此外由于球鉸聯軸器的軸向約束特點，卷筒運轉過程中的軸向附加載荷直接作用在聯軸器與減速器的低速軸上，因此聯軸器與減速器的連接情況需要引起關注。

4 結語

由以上的論述中可以看出各種卷筒聯軸器都有著其優點的不足，在掌握其特點的情況下，合理使用和維護，都可以充分發揮其優勢。以上三種卷筒聯軸器為目前起重機起升機構中使用比較常見的類型。相信隨著工業技術的發展，必定會有更加完善的型式出現。

在起重機技術規范中，無論配置了哪種形式的卷筒聯軸器，其安裝精度的技術要求是一致。卷筒軸線偏斜量越小，聯軸器使用效率和壽命越長。

參考文獻

[1] 起重機設計手冊（機械版）[M].機械工業出版社，1980.

[2] 楊長骙.起重機械[M].機械工業出版社，1981.

[3] GB/T 3811-2008起重機設計規范[S].

[4] JB/T 7009-2007卷筒用球面滾子聯軸器[S].

[5] ZWL型卷筒聯軸器樣本（樂清市三豐傳動有限公司）.

[6] DC系列卷筒聯軸器樣本（寧波偉隆傳動機械有限公司）.endprint

（1）球面滾子聯軸器傳遞扭矩和承受徑向載荷的就是沿圓周分布的球面滾子，因此要求每個球面滾子都應獲得較好的潤滑條件。而注油孔是不可能對應于每個滾子的，因此潤滑油通道的設計比較重要。也即該種聯軸器的潤滑條件比較差。

（2）球鉸聯軸器，靠特殊鍵傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。特殊鍵的潤滑比較重要，但是特殊鍵的數量僅為兩個，因此注油孔的位置對應特殊鍵部位即可，然而球面也不能缺油，因為球面的接觸面較大，一旦缺油，將引起較大的摩擦阻尼，使聯軸器的工作效率大大降低。而聯軸器球鉸面存油條件較差，因此該種聯軸器的潤滑條件也不是很理想的。

（3）鼓形齒式聯軸器，靠齒輪副傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。因此潤滑的主要部位是球面接觸的部位，而聯軸器外套的接觸面實際上是圓柱面（僅內套的接觸面為球面），因此是線接觸，接觸面之間可以存油，因此該種聯軸器的潤滑條件比較理想。

3.5 安全性

首先，卷筒聯軸器是起重機的核心部件之一，其破壞的后果直接導致起重機嚴重的安全事故，因此各種類型的卷筒聯軸器，其設計都是嚴格遵守起重機的技術和安全規范。在起重機安裝要求中卷筒軸線與減速器低速軸的軸向偏差都有著嚴格的要求。因此在聯軸器的設計、選用、制造質量和安裝精度得到保證的條件下，都有較高的安全系數。在運行過程中，只要保證聯軸器的潤滑，都可以獲得較長的使用壽命。

而起重機部件的故障遇見性比較重要，該部件在發生嚴重失效前，應有比較明顯的異常現象，是操作和檢修人員能夠及時地發現。另外該部件應有比較有效的措施以保證其安全性。

球面滾子聯軸器在實際運行中，球面滾子將隨外套的偏擺產生滾擺運動，當擺角較大時，載荷的水平分力將有可能使球面滾子竄動，滾子端面碾壓軸向擋環，對軸向擋環產生很大的擠壓力，若此擠壓力足夠大就有可能是軸向限位失效，進而導致端蓋螺栓松弛或斷裂，滾子在外套的擺動擠壓力作用小被擠出甚至脫落，聯接失效。

為了保證其安全性，軸向擋環的設計十分重要，建議采用嵌入式軸向擋環（見圖3），加大了原有的擋環尺寸并且使擋環與聯軸器的內套結為一體，有效地防止球面滾子跌落，大大地提高了聯軸器的安全性，不建議采用端蓋進行軸向定位的型式。

球面滾子聯軸器在過渡磨損時會發生較大的噪音。

球鉸聯軸器的特殊鍵（見圖4）是十分重要的零件，且數量只有兩件，一旦一個特殊鍵斷裂，另一個就要承受全部的扭矩，因此特殊鍵本身的設計應該考慮到這種情況。即單件承受全載荷。

特殊鍵的材料、熱處理加工都有嚴格的要求，因為采用了高強度合金鋼材料，其裂紋敏感性較高，因此在使用中需要特別關注特殊鍵的情況，然而特殊鍵位置在聯軸器內部，檢測比較困難。而除了保證特殊鍵的完好之外，目前還沒有別的提高該種聯軸器安全性的有效方法。

球鉸聯軸器由于其內部零件之間都是滑動摩擦，因此在過渡磨損時或缺油時會產生很大的阻尼，導致傳動效率降低。

鼓形齒式聯軸器的失效形式為斷齒或者球形承載面磨損，除非全部齒剃光。一般情況斷裂的一兩個齒，即被操作人員發現。因此該種聯軸器的安全性相對前兩種較高。

鼓形齒式聯軸器在發生故障時會有較大的異常響聲。

3.6 卷筒聯軸器的安裝特點

由于各種聯軸器對軸線偏差的敏感性有異，因此在安裝起升機構卷筒是首先應了解所配置的卷筒聯軸器類型，并嚴格按照相應的技術要求進行裝配和調整。

球面滾子聯軸器和鼓形齒式聯軸器本身有軸向間隙（即僅徑向定位，軸向浮動），不能承受軸向載荷，因此卷筒的軸向定位點位于卷筒尾部的支座處，卷筒尾軸的軸承需要進行軸向定位以承受軸向載荷。

球鉸聯軸器則是一個完整鉸點，既有徑向定位，又有軸向定位。因此配置了該種聯軸器的卷筒，其尾軸的軸承應留有軸向游動的間隙，推薦位軸承兩端各留>3 mm間隙，軸承座內孔建議采用G8配合。

此外由于球鉸聯軸器的軸向約束特點，卷筒運轉過程中的軸向附加載荷直接作用在聯軸器與減速器的低速軸上，因此聯軸器與減速器的連接情況需要引起關注。

4 結語

由以上的論述中可以看出各種卷筒聯軸器都有著其優點的不足，在掌握其特點的情況下，合理使用和維護，都可以充分發揮其優勢。以上三種卷筒聯軸器為目前起重機起升機構中使用比較常見的類型。相信隨著工業技術的發展，必定會有更加完善的型式出現。

在起重機技術規范中，無論配置了哪種形式的卷筒聯軸器，其安裝精度的技術要求是一致。卷筒軸線偏斜量越小，聯軸器使用效率和壽命越長。

參考文獻

[1] 起重機設計手冊（機械版）[M].機械工業出版社，1980.

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[3] GB/T 3811-2008起重機設計規范[S].

[4] JB/T 7009-2007卷筒用球面滾子聯軸器[S].

[5] ZWL型卷筒聯軸器樣本（樂清市三豐傳動有限公司）.

[6] DC系列卷筒聯軸器樣本（寧波偉隆傳動機械有限公司）.endprint

（1）球面滾子聯軸器傳遞扭矩和承受徑向載荷的就是沿圓周分布的球面滾子，因此要求每個球面滾子都應獲得較好的潤滑條件。而注油孔是不可能對應于每個滾子的，因此潤滑油通道的設計比較重要。也即該種聯軸器的潤滑條件比較差。

（2）球鉸聯軸器，靠特殊鍵傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。特殊鍵的潤滑比較重要，但是特殊鍵的數量僅為兩個，因此注油孔的位置對應特殊鍵部位即可，然而球面也不能缺油，因為球面的接觸面較大，一旦缺油，將引起較大的摩擦阻尼，使聯軸器的工作效率大大降低。而聯軸器球鉸面存油條件較差，因此該種聯軸器的潤滑條件也不是很理想的。

（3）鼓形齒式聯軸器，靠齒輪副傳遞扭矩，靠球面承受徑向載荷。因此潤滑的主要部位是球面接觸的部位，而聯軸器外套的接觸面實際上是圓柱面（僅內套的接觸面為球面），因此是線接觸，接觸面之間可以存油，因此該種聯軸器的潤滑條件比較理想。

3.5 安全性

首先，卷筒聯軸器是起重機的核心部件之一，其破壞的后果直接導致起重機嚴重的安全事故，因此各種類型的卷筒聯軸器，其設計都是嚴格遵守起重機的技術和安全規范。在起重機安裝要求中卷筒軸線與減速器低速軸的軸向偏差都有著嚴格的要求。因此在聯軸器的設計、選用、制造質量和安裝精度得到保證的條件下，都有較高的安全系數。在運行過程中，只要保證聯軸器的潤滑，都可以獲得較長的使用壽命。

而起重機部件的故障遇見性比較重要，該部件在發生嚴重失效前，應有比較明顯的異常現象，是操作和檢修人員能夠及時地發現。另外該部件應有比較有效的措施以保證其安全性。

球面滾子聯軸器在實際運行中，球面滾子將隨外套的偏擺產生滾擺運動，當擺角較大時，載荷的水平分力將有可能使球面滾子竄動，滾子端面碾壓軸向擋環，對軸向擋環產生很大的擠壓力，若此擠壓力足夠大就有可能是軸向限位失效，進而導致端蓋螺栓松弛或斷裂，滾子在外套的擺動擠壓力作用小被擠出甚至脫落，聯接失效。

為了保證其安全性，軸向擋環的設計十分重要，建議采用嵌入式軸向擋環（見圖3），加大了原有的擋環尺寸并且使擋環與聯軸器的內套結為一體，有效地防止球面滾子跌落，大大地提高了聯軸器的安全性，不建議采用端蓋進行軸向定位的型式。

球面滾子聯軸器在過渡磨損時會發生較大的噪音。

球鉸聯軸器的特殊鍵（見圖4）是十分重要的零件，且數量只有兩件，一旦一個特殊鍵斷裂，另一個就要承受全部的扭矩，因此特殊鍵本身的設計應該考慮到這種情況。即單件承受全載荷。

特殊鍵的材料、熱處理加工都有嚴格的要求，因為采用了高強度合金鋼材料，其裂紋敏感性較高，因此在使用中需要特別關注特殊鍵的情況，然而特殊鍵位置在聯軸器內部，檢測比較困難。而除了保證特殊鍵的完好之外，目前還沒有別的提高該種聯軸器安全性的有效方法。

球鉸聯軸器由于其內部零件之間都是滑動摩擦，因此在過渡磨損時或缺油時會產生很大的阻尼，導致傳動效率降低。

鼓形齒式聯軸器的失效形式為斷齒或者球形承載面磨損，除非全部齒剃光。一般情況斷裂的一兩個齒，即被操作人員發現。因此該種聯軸器的安全性相對前兩種較高。

鼓形齒式聯軸器在發生故障時會有較大的異常響聲。

3.6 卷筒聯軸器的安裝特點

由于各種聯軸器對軸線偏差的敏感性有異，因此在安裝起升機構卷筒是首先應了解所配置的卷筒聯軸器類型，并嚴格按照相應的技術要求進行裝配和調整。

球面滾子聯軸器和鼓形齒式聯軸器本身有軸向間隙（即僅徑向定位，軸向浮動），不能承受軸向載荷，因此卷筒的軸向定位點位于卷筒尾部的支座處，卷筒尾軸的軸承需要進行軸向定位以承受軸向載荷。

球鉸聯軸器則是一個完整鉸點，既有徑向定位，又有軸向定位。因此配置了該種聯軸器的卷筒，其尾軸的軸承應留有軸向游動的間隙，推薦位軸承兩端各留>3 mm間隙，軸承座內孔建議采用G8配合。

此外由于球鉸聯軸器的軸向約束特點，卷筒運轉過程中的軸向附加載荷直接作用在聯軸器與減速器的低速軸上，因此聯軸器與減速器的連接情況需要引起關注。

4 結語

由以上的論述中可以看出各種卷筒聯軸器都有著其優點的不足，在掌握其特點的情況下，合理使用和維護，都可以充分發揮其優勢。以上三種卷筒聯軸器為目前起重機起升機構中使用比較常見的類型。相信隨著工業技術的發展，必定會有更加完善的型式出現。

在起重機技術規范中，無論配置了哪種形式的卷筒聯軸器，其安裝精度的技術要求是一致。卷筒軸線偏斜量越小，聯軸器使用效率和壽命越長。

參考文獻

[1] 起重機設計手冊（機械版）[M].機械工業出版社，1980.

[2] 楊長骙.起重機械[M].機械工業出版社，1981.

[3] GB/T 3811-2008起重機設計規范[S].

[4] JB/T 7009-2007卷筒用球面滾子聯軸器[S].

[5] ZWL型卷筒聯軸器樣本（樂清市三豐傳動有限公司）.

[6] DC系列卷筒聯軸器樣本（寧波偉隆傳動機械有限公司）.endprint