鋼球脫開式限矩離合器

種建明

(西安帆力機電技術有限公司，陜西 西安 710048)

0 前言

在機械傳動系統中，為了保護機械設備在設備卡阻、負荷超限等工況下不受到損壞，在系統中采用過載保護部件，在過載時通過分離、打滑等使傳動系統中斷起到過載保護作用。

常用的過載保護部件有剪切銷式離合器、摩擦片式離合器、液力耦合器等。對機械設備有效保護的關鍵是過載保護部件要有可靠的保護特性，首先要準，即過載脫開打滑動作的轉矩值要準;其次要快，即過載時對傳動系統的中斷要快。否則會出現設備正常運行時過載保護部件脫開打滑、或設備已過載損壞但過載保護部件還未動作、或動作時間過長沒對機械設備起到有效保護。常用的過載保護部件均有各自的缺陷。因此，研發具有準確而快速特性的過載保護部件將對機械設備起到有效保護作用。

1 鋼球脫開式限矩離合器工作原理

離合器的結構如圖1所示。在軸套4的圓周上分布有若干個限矩部件2，在套筒6的圓周上同樣有若干個錐套5，在每個錐套的錐面與限矩部件中的銷軸10之間均嚙合有傳力鋼球3。

鋼球脫開式限矩離合器是當離合器過載時，傳力鋼球受到的軸向力大于限矩部件中的彈簧機構產生的預設軸向力使傳力鋼球脫離嚙合，實現過載保護。正常載荷下，傳力鋼球不脫開，類似于剛性聯軸器，也沒有功率損耗。

限矩部件中的預壓縮彈簧使小鋼球定位于銷軸的斜面處，給傳力鋼球提供預設軸向力，傳力鋼球與錐套的錐面嚙合形成預設轉矩，當轉矩大于預設轉矩時，轉矩在傳力鋼球上產生的軸向反力大于預設軸向力，傳力鋼球與錐套上錐面開始脫離嚙合，推銷軸左移，當小鋼球被推到銷軸最大外圓面上，傳力鋼球的預設軸向力為0，傳力鋼球從錐套的錐孔中脫離出來，軸套與套筒自由旋轉，離合器主、從動端脫開，如圖2所示。

圖1 正常工作時離合器結構示意圖

圖2 過載脫開時離合器結構示意圖

1.1 力學分析

如圖3所示為傳力鋼球受力示意圖，將傳力鋼球分離出來。限矩部件中的銷軸由預壓縮彈簧產生的作用給傳力鋼球的預設軸向力為FA；離合器所傳遞的轉矩T通過錐套斜面作用在傳力鋼球的正壓力為Fn；Fn可分解為兩個分力：周向力Ft：Ft∝轉矩T；軸向力Fa：Fa∝Ft，因此，Fa∝轉矩T。當Fa

圖3 傳力鋼球受力分析圖

圖4 傳力鋼球脫開示意圖

傳力鋼球的受力與傳力鋼球與錐套嚙合的幾何角度尺寸及彈簧的壓縮量有關，其中，FA是一個確定值，可通過計算與測量實驗標定出。Fa與轉矩T呈線性關系，因此，離合器的脫開轉矩為確定值。由于離合器脫開為完全脫開，無磨損，其幾何角度尺寸無變化，因此其脫開值的重復性好。

1.2 限矩離合器脫開時間

過載脫開迅速，對系統有可靠的保護作用。本文設定限矩部件所在中心圓直徑d=300 mm,離合器轉速n=1 000 r/min,傳力鋼球直徑D=16 mm。計算離合器脫開時間。如圖3所示，過載時，傳力鋼球從錐套的錐孔中脫離出來，其在圓周方向的移動距離L=0.5D=8 mm。

限矩部件所在中心圓的線速度

v=πdn/60=15 700 mm/s

傳力鋼球從錐套的錐孔中脫離時間(離合器脫開時間)

t=L/v=8/15 700=0.000 05 s

2 離合器的特點

(1)出廠前可設定好脫開轉矩值。離合器的脫開轉矩與每個限矩部件傳力鋼球預設的軸向力的總和及限矩部件所在中心圓的半徑成線性關系。每個限矩部件傳力鋼球預設的軸向力是可在加力測量裝置上通過調整限矩部件中的預壓縮彈簧的壓縮量計算與實驗設定的。因此離合器的脫開轉矩值在出廠前可通過實驗裝置設定好。

(2)離合器恢復工作簡單快捷。離合器脫開后，停機并排除故障，僅需手動將離合器主動側轉個角度，對齊外圓標記線，即將錐套和與其嚙合的傳力鋼球對準，用工具敲擊銷軸左端面，銷軸右移，傳力鋼球與錐套嚙合，小鋼球回到斜面，預設軸向力恢復，離合器恢復正常工作狀態。

(3)脫開轉矩值調整方便，脫開完全無磨損,脫開轉矩值保持不變。脫開轉矩值在使用中如需調整，停機時，按限矩部件上的轉矩刻度線用扳手擰限矩部件左端方柄可無級調整。離合器的脫開為完全脫開，脫開后無摩擦磨損發熱現象，恢復工作后，離合器的脫開轉矩值保持不變。

3 結束語

離合器應用在某水泥廠輥壓機，設定脫開轉矩為9 kN·m,在使用的幾年中，在多次料夾金屬雜料，一次輥壓機機架開裂及一次輥子軸承損壞情況下，均保護了減速機等未受到損壞。減速機壽命得到延長。離合器應用在某高分子材料公司的雙螺桿擠出機，設定脫開轉矩為3 kN·m,在異常工況下保護了昂貴的螺桿。某發電廠給煤機由于煤中會夾雜金屬等異物，導致鏈條卡阻拉斷等故障，維修時間多達數小時，嚴重影響鍋爐出力。安裝離合器后，由于離合器脫開動作很快，鏈條有異物卡阻時，離合器瞬間脫開，再未發生鏈條拉斷現象。