液壓安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算

吳 量,胡覺凡, 魏志毅， 劉 勇，王曉鵬， 彭 磊, 孫向陽

(1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安710049)

液壓安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算

吳 量1,2,胡覺凡1, 魏志毅1， 劉 勇1，王曉鵬1， 彭 磊1, 孫向陽1

(1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安710049)

液壓安全聯(lián)軸器是一種新型的保護(hù)傳動系統(tǒng)的裝置，文章介紹了液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)及選用方法，提供了校核算法，并針對某鋼廠實(shí)際工況，在傳動系統(tǒng)選用高速式法蘭聯(lián)結(jié)安全聯(lián)軸器作為過載保護(hù)，精選型計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后，滿足設(shè)計(jì)要求，為液壓安全聯(lián)軸器的選用提供了參考。

液壓安全聯(lián)軸器;結(jié)構(gòu)原理;選用方法

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷向高速、輕型、高效、智能化發(fā)展，對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維修和安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求。因此，對各類機(jī)械設(shè)備的傳動系統(tǒng)，進(jìn)行有效的過載保護(hù)及快速修復(fù)的功能，顯得尤為重要。液壓安全聯(lián)軸器是把固定聯(lián)接和轉(zhuǎn)矩限制建立在同一個(gè)部件上并具有過載保護(hù)功能的一種新型聯(lián)軸器，是各類摩擦聯(lián)軸器中的一種型式。它能夠準(zhǔn)確、有效地防止過載引起的設(shè)備損壞，廣泛應(yīng)用于一切需要過載保護(hù)的機(jī)械傳動裝置中。

1 結(jié)構(gòu)原理

液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖1中所示，其中聯(lián)接套是液壓安全聯(lián)軸器的核心部件，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)密封的雙層套筒。其工作原理如圖2所示，在聯(lián)結(jié)套內(nèi)注入液壓油，然后擰緊安全管，使液壓油密封在聯(lián)接套之中，在壓力的作用下，聯(lián)接套內(nèi)壁、外壁均產(chǎn)生彈性變形，內(nèi)套與軸、外壁與輪轂分別形成過盈聯(lián)接，在摩擦力的作用下，即可傳遞與腔內(nèi)液壓力成正比的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)實(shí)際傳遞的轉(zhuǎn)矩大于該轉(zhuǎn)矩時(shí)，聯(lián)接套與軸之間會發(fā)生相對運(yùn)動，固定在軸上的剪切環(huán)立即剪斷安全管，使聯(lián)接套中的液壓油快速釋放，聯(lián)接套恢復(fù)彈性變形，聯(lián)接套與軸脫離空轉(zhuǎn)，中止轉(zhuǎn)矩傳遞，從而起到安全保護(hù)的作用。恢復(fù)工作時(shí)，更換新的安全管，重新注入液壓油便可繼續(xù)工作。

圖1 液壓安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of Hydraulic safety coupling

圖2 液壓安全聯(lián)軸器原理圖Fig.2 The schematic diagram of Hydraulicsafety coupling

2 性能特點(diǎn)

我國目前大部分機(jī)械傳動設(shè)備上采用安全銷或安全環(huán)式安全聯(lián)軸器。由于銷釘類似限轉(zhuǎn)矩的元件會經(jīng)常發(fā)生金屬疲勞，導(dǎo)致了聯(lián)軸器頻繁而沒有必要的松弛，從而造成生產(chǎn)損失。只有當(dāng)銷釘只受剪力作用時(shí)，銷釘聯(lián)軸器才能保證精確的轉(zhuǎn)矩；發(fā)生過一些松弛后，銷釘支座被磨損，純粹受剪的前提就不存在了，這使得聯(lián)軸器的極限轉(zhuǎn)矩不可避免地降低，因此，常發(fā)生銷釘斷裂。而液壓安全聯(lián)軸器是通過摩擦力來控制傳動轉(zhuǎn)矩。因此，它不會發(fā)生金屬疲勞。在圖3(a)中兩種聯(lián)軸器的對比可以看到傳遞轉(zhuǎn)矩高效可靠。在圖3(b)中可以看到，液壓安全聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩和它腔內(nèi)油壓成正比，不但其傳遞的轉(zhuǎn)矩可靠，而且預(yù)定轉(zhuǎn)矩可調(diào)整且能持續(xù)。在圖3(c)中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備過載時(shí)，液壓安全聯(lián)軸器快速釋放腔內(nèi)油壓，因而能夠安全可靠的保護(hù)設(shè)備。

圖3 液壓安全聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩圖Fig.3 The torque diagram of hydraulic safety coupling

3 聯(lián)接型式及應(yīng)用舉例

安全聯(lián)軸器型式有多種聯(lián)接方式，聯(lián)接方式根據(jù)實(shí)際工況的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見的有以下七種，見表1。

表1 液壓安全聯(lián)軸器聯(lián)接型式

液壓安全聯(lián)軸器不但可以單獨(dú)起聯(lián)接作用，而且可以與諸如齒輪、鏈輪、軸及各種聯(lián)軸器組合使用，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域。

特別是在冶金行業(yè)，傳動系統(tǒng)通常具有重載、大扭矩，工況復(fù)雜多變等特點(diǎn)，液壓安全聯(lián)軸器能夠有效的保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠、極大的提高設(shè)備的工作效率。同時(shí)液壓安全聯(lián)軸器自身結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性，可以應(yīng)用于不同的場合，與其它傳動件可以隨意的組合使用，如圖4所示。這樣能很好的解決這些問題，提供高效可靠、維護(hù)方便且保養(yǎng)費(fèi)用低的傳動系統(tǒng)，不但使傳動系統(tǒng)的傳動效率大為提高、維護(hù)成本降低，而且對成套設(shè)備裝機(jī)水平的提高也產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。

圖4 液壓安全聯(lián)軸器應(yīng)用舉例Fig.4 The application examples of hydraulic safety coupling

4 液體安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算

液壓安全聯(lián)軸器的選型依據(jù)與安全滑動轉(zhuǎn)矩、聯(lián)接型式、工作環(huán)境等因素綜合考慮。安全滑動轉(zhuǎn)矩確定時(shí)首先明確液壓安全聯(lián)軸器的保護(hù)對象，然后確定保護(hù)對象的負(fù)載力矩。安全滑動轉(zhuǎn)矩

TC=K·Tmax≤TS

(1)

式中，TC為計(jì)算滑動轉(zhuǎn)矩，kN·m；Tmax為最大允許工作轉(zhuǎn)矩，kN·m；TS為安全聯(lián)軸器的滑動轉(zhuǎn)矩，kN·m；K為系數(shù)，取K≈1.5～2。

用于齒輪、鏈輪及皮帶輪聯(lián)結(jié)時(shí)，由于徑向力的存在，還必須滿足

T≤2.9d2d0×10-6

(2)

與液壓安全聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起的軸，其屈服點(diǎn)σS≥300 N/mm2。選用的安全聯(lián)軸器須承受軸向力、徑向力、彎矩等技術(shù)參數(shù)。當(dāng)滑動速度不大于1.5 m/s時(shí)，應(yīng)選用低速式液壓安全聯(lián)軸器，否則應(yīng)選用高速式液壓安全聯(lián)軸器。

滑動速度

v= 5.2dn×10-5≤1.5 m/s

(3)

式中，v為滑動速度，m/s；d為滑動面直徑，mm；n為工作轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)環(huán)境溫度在0 ℃以下時(shí)，滑動轉(zhuǎn)矩應(yīng)相應(yīng)降低，其降低值為：溫度值每降低1 ℃，滑動轉(zhuǎn)矩降低1.5%。

5 液壓安全聯(lián)軸器的選型校核

由于低速液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)中沒有滾動軸承，軸套與軸在相對滑動時(shí)為滑動摩擦。為防止磨損過度或溫度過高，其單位壓力、工作時(shí)間應(yīng)進(jìn)行校核。若單位壓力或工作時(shí)間超過要求時(shí)，為了保證使用壽命，應(yīng)選用大規(guī)格或高速式液壓安全聯(lián)軸器。

滑動面單位壓力：

(4)

(5)

式中，p為單位壓力，N/mm2；Ft為松脫后徑向力，N；d為滑動面直徑，mm；L為滑動面接觸長度，mm；

松脫后的最大允許工作時(shí)間

(6)

式中，tmax為最大允許工作時(shí)間，min；d為滑動面直徑，mm；Ft為松脫后徑向力，N；n為工作轉(zhuǎn)速，r/min。

與安全聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起的輪轂，其外徑da與內(nèi)徑di之比不低于表2的規(guī)定，否則應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，其應(yīng)力分布如圖5所示，計(jì)算公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，σar為徑向應(yīng)力，N/mm2；σat為切向應(yīng)力，N/mm2；σav為有效應(yīng)力，N/mm2；σS為屈服極限，N/mm2；p為油腔壓力，一般為80～100 MPa；da為輪轂外徑，mm；di為輪轂內(nèi)徑，mm；K為安全系數(shù)，一般為1.5～2。

表2 輪轂內(nèi)外徑比值

圖5 應(yīng)力分布圖Fig.5 The map of stress distribution

6 應(yīng)用舉例

根據(jù)武鋼軋鋼生產(chǎn)線實(shí)際工況和空間大小，以及設(shè)備后續(xù)維護(hù)的要求，在傳動系統(tǒng)選用高速式法蘭聯(lián)結(jié)安全聯(lián)軸器作為過載保護(hù),結(jié)構(gòu)如圖6所示。同時(shí)考慮到兩端的同軸度要求，選擇鼓形齒聯(lián)軸器配套使用。根據(jù)液體安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算公式，預(yù)壓力P0=16.120 MPa時(shí)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得出壓力與扭矩的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 液壓安全聯(lián)軸器靜力計(jì)算

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在專用的測試平臺進(jìn)行驗(yàn)證。利用圖7所示測試臺，將液壓安全聯(lián)軸器固定在測試臺上，其上端法蘭與扭力臂固定。預(yù)先給液壓安全聯(lián)軸器內(nèi)注入一定壓力的高壓油，然后通過液壓缸推動扭力臂直到固定在扭力臂上的剪刃切斷安全管釋壓為止，記錄此時(shí)的壓力表讀數(shù)。通過如下公式計(jì)算切斷力矩。

T實(shí)際=1/4·∏·d2·Lp

式中，d為液壓缸無桿腔缸徑；L為扭力臂力臂長度；P為測試臺測試壓力即剪斷時(shí)壓力表讀數(shù)。

根據(jù)計(jì)算所得的T實(shí)際與理論扭矩進(jìn)行對照(理論扭矩就是預(yù)先注入的高壓油對應(yīng)的扭矩)并進(jìn)行歸納校正，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表4所示。

圖6 液壓安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structural drawing of stress distribution

圖7 測試平臺Fig.7 Testing Platform

次數(shù)注壓/MPa理論扭矩/N·m剪斷壓力/MPa計(jì)算扭矩/N·m偏差/N·m14099407141100010593250168131231806412509

經(jīng)分析，由于液壓筒體與軸套之間的間隙值為一個(gè)范圍，所以液壓安全聯(lián)軸器預(yù)壓有所不同；液壓系統(tǒng)中的壓力表量程過大，讀數(shù)誤差大；同時(shí)測試臺強(qiáng)度不夠，個(gè)別存在測試過程中出現(xiàn)憋壓情況導(dǎo)致讀表數(shù)值增大。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)扭矩偏差不到5 MPa，而在實(shí)際工作中過載扭矩往往是成倍的增加，所以仍然可以按照理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行注壓。

7 結(jié)束語

針對銷釘類安全聯(lián)軸器經(jīng)常發(fā)生銷釘斷裂的情況，提出用液壓安全聯(lián)軸器來替代銷釘類安全聯(lián)軸器。對液壓安全聯(lián)軸器的機(jī)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)做了詳細(xì)的介紹，列舉了它的多種型式及與其他傳動部件組合使用的方法，給出了選型計(jì)算的方法及公式，并介紹了為了防止磨損或溫度過高時(shí)的選型校核計(jì)算。文章對液壓安全聯(lián)軸器的選型、使用、及維護(hù)提供了指導(dǎo)，也能促進(jìn)液壓安全聯(lián)軸器的進(jìn)一步推廣。

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The introduction and selection calculation of hydraulic safety coupling

WU Liang1,2， HU Jue-fan1， WEI Zhi-yi1，LIU Yong1，WANG Xiao-peng1， PENG Lei1， SUN Xiang-yang1

(1.China National Heavy Machinery Research Institue Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China;2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China)

Hydraulic safety coupling is a new kind of protection of transmission device, It has many advantages,such as high efficiency and reliable, easy to install and disassemble, accurate setting torque and adjustable, widely used in metallurgy, rolling, mining, wind power, building materials and other industries. It has a variety of connecting ways of hydraulic safety coupling , the connecting way according to the need of the actual working condition, it can be used as separate connecting part, and can be connected with gear, chain wheel, shaft and combinations of various coupling, etc.This paper introduces the hydraulic safety coupling structure principle, performance characteristics , selection methods, and a checking algorithm, provides reference for the selection of hydraulic safety coupling.

hydraulic safety coupling; the structural principle; selection method

TH133.4

A

1001-196X(2016)04-0084-06

2016-01-05；

2016-03-20

吳量(1984-)，男，西安交通大學(xué)碩士研究生，中國重型機(jī)械研究院股份公司工程師。