清箅機破碎輥減速機與液耦連接方式改造研究

邱棟

（鎮海石化建安工程有限公司，江蘇 寧波 226010）

1 概述

1.1 設備概述

某煉廠延遲焦化裝置石油焦破碎機由某公司生產制造的QP系列清箅機，該機器屬于敞開式邊移動邊破碎機械，前后共設有2個破碎輥，通過在煤箅上前進和后退達到石油焦破碎和清箅工作。破碎輥外表面呈雙螺旋線狀分布破碎齒，破碎齒頭部呈子彈頭形狀，表面均布堆焊6條高強度合金條，不僅可以破碎石油焦等堅硬物料，還能破碎混在焦中的柔韌物料。雙螺旋線狀分布的破碎齒在破碎大而硬的物料時可以將整機的破碎力和破碎能量瞬間集中于少數幾個齒點上，將煤箅上不能自由下落的大塊物料進行破碎，使之下落，從而達到清理煤箅的目的。清箅機箱體內部2臺90kW的電動機通過液力耦合器帶動破碎輥減速機，減速機通過萬向節聯軸器、鏈輪軸和雙排鏈將動力輸送給前后破碎輥對物料進行破碎作業。

1.2 清箅機可靠運行的意義

焦化裝置焦炭塔水力除焦設備將生焦塔內的石油焦清除下來后在焦炭池冷卻和暫存，焦炭池上方的行車利用抓斗將冷卻的石油焦運送到清箅機的煤箅上，煤箅孔口尺寸100×100mm，所以大塊的石油焦無法從煤箅孔口下落，必須由清箅機破碎輥其將打碎。煤箅下部是皮帶輸送系統，細碎的石油焦從煤箅孔口落下后由皮帶輸送機輸送到自備6#碼頭由裝船機將石油焦裝載到停泊在泊位旁的運焦船中出廠。該煉廠焦化裝置采用國內成熟的二爐四塔，大循環比延遲焦化工藝技術，24h生焦周期，每天都有2個塔的石油焦產生，假如清箅機無法正常運行則嚴重影響各生產裝置長周期運行。

2 破碎輥減速機與液耦連接失效故障原因分析

2.1 連接失效的故障形式

該煉廠每月定期對清箅機進行1次系統的保養與檢查，

在月檢保養中破碎輥減速機與液耦連接方式故障率較高，主要表現為破碎輥減速機液耦聯軸器轂孔與減速機輸入齒輪軸配合松動，造成運行過程中液耦聯軸器晃動大，加劇電動機和減速機振動值。除了月檢中查到的問題外，有時也會因液耦聯軸器故障引起的突發性搶修，2017年6月，清箅機在破碎過程中突然發生單側破碎輥丟轉事件，搶修發現主要是因為液耦聯軸器渦輪軸轂孔與減速機齒輪軸配合松動引發的平鍵剪切、鍵槽損壞故障。2016~2017年清箅機因該類故障發生檢修4起，其中月檢保養中發現配合松動故障3起，單側破碎輥丟轉故障搶修1起。

2.2 液耦聯軸器的連接方式和故障原因分析

2.2.1 液耦聯軸器的連接方式

液力耦合器是一種柔性的傳動裝置，是以液體為工作介質的一種非剛性聯軸器，一般分為限矩型和調速型。本設備采用限矩型液力耦合器，液耦殼體內由泵輪和渦輪組成1個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。破碎輥主電機通過梅花彈性塊帶動液耦輸入軸（泵輪），破碎輥減速機高速軸軸頸插入到液耦輸出軸（渦輪）中心孔內，減速機高速軸和液耦渦輪軸都設計有鍵槽，通過液耦渦輪軸中心孔的拉緊螺栓將液耦與減速機高速軸鎖緊（見圖1）。液耦聯軸器和減速機高速軸的連接按設計應該屬于靜連接（過盈配合），是力鎖合連接和形鎖合連接的組合體，載荷應當全部由過盈配合面摩擦力傳遞，平鍵和拉緊螺栓只作為輔助連接，適合使用在振動、沖擊、正反轉的場合。

2.2.2 連接故障原因分析

圖1 液耦與減速機輸入軸連接

按照機械連接分類，靜連接（圓柱有鍵過盈配合）在連接中屬于可靠性較好的連接形式，但在保證連接強度以外還應該注意避免其他的失效，如連接松脫現象的發生。該限矩型液力耦合器泵輪軸和渦輪軸與外殼體之間的軸封都采用骨架油封形式，骨架油封長期使用后油封唇邊會磨損主軸，出現軸封漏油現象。保養中一旦發現骨架油封漏油則會考慮將液耦聯軸器拆下更換新骨架油封并采用改變骨架油封軸向位置的方法來避開磨損的軸頸部位。由于該液耦聯軸器現場空間較狹窄，又無法采用液壓法來拆裝，所以現場拆裝不便，拆卸后時常發現軸頸配合表面有擦傷現象，修復回裝后削弱了連接的緊固性。

液耦聯軸器修復后回裝過程中如圓柱面過盈量過大，安裝非常困難。因為采用過盈連接時，如過盈量及配合尺寸較小，一般采用在常溫下直接壓入法裝配，當過盈量及配合尺寸較大時，常用溫差法裝配。溫差法是加熱包容件、冷卻被包容件，由于包容件是液耦渦輪軸，如采用加熱液耦渦輪軸則會損傷渦輪軸的骨架油封，如采用冷卻被包容件（減速機輸入軸）現場不具備條件。所以為了便于液耦壓入法安裝，廠家將該過盈配合量設計的比較小。檢修過程中工人發現軸頸表面有擦傷、拉毛現象會對擦傷的表面進行修整打光，這樣再次減小配合面過盈量，當連接由靜連接變成動連接后，載荷傳遞由圓柱面接觸變成線接觸。配合面在傳遞扭矩過程中接觸部位產生局部彈性變形，從而形成接觸面較小的面接觸，這樣零件接觸處產生很大局部應力，而離開接觸面稍遠處接觸應力急劇下降。由于接觸應力多為變應力，液耦聯軸器與減速機輸入軸接觸部位在接觸應力的反復作業下，配合表面逐漸產生疲勞裂紋，慢慢擴散后使金屬表層脫落，產生疲勞點蝕，最終出現液耦聯軸器配合松動。

2.2.3 圓柱面過盈連接最小過盈量

實際檢修中通過測量發現，液耦主軸轂孔與減速機齒輪軸軸頸未發生磨損時配合尺寸通常在0~0.02mm之間，運行過程中由于接觸應力影響造成接合面金屬表層磨損脫落，拆解后配合間隙通常在0.50mm以上。根據《機械設計手冊》要求，圓柱面過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量計算公式如下：

最小計算過盈：

式中：d為液耦主軸內孔與減速機輸入軸配合面直徑：φ48mm；d1為被包容件內徑（輸入軸內徑）：0mm；d2為包容件外徑（液耦主軸配合面處外徑）：φ130mm；v1、v2為材料的泊比松，查《機械設計手冊》第2卷（2007.6重印）版，表6.4—4中碳鋼、低合金鋼、合金結構鋼取0.3~0.31；E1、E2為材料的彈性模量（MPa），查表6.4—4中碳鋼、低合金鋼、合金結構鋼取（2.02~2.1）×105。

該二級變速斜齒圓柱齒輪減速機輸入軸（高速）斜齒齒數z=20，齒輪法向模數mn=3.5，端面模數mt=mn/cosβ，分度圓直徑d高=mt×z，法向壓力角αn=20°，螺旋角β=13o，與液耦主軸內孔配合面軸頸d=Φ48mm，配合面軸頸長度l=80mm。過盈連接配合面摩擦因數μ根據《機械設計手冊》第2卷（2007.6重印）版，表6.4—3中：材料為鋼—鋼，無潤滑壓入法取0.07~0.16；有潤滑壓入法取0.05~0.13；綜合考慮按μ=0.1代入上式。

破碎輥電機功率p=90kW，轉速n=1480r/min，根據液耦聯軸器的工作特點，一般液力偶合器正常工況的轉速比在0.95以上時可獲得較高的效率，所以減速機輸入軸的轉速暫按n=1406r/min取值。

③減速機端面模數mt=mn/cosβ=3.5/0.97437=3.592；

④輸入軸齒輪分度圓直徑d高=mt×z=3.592×20=71.84mm；

⑤斜齒圓柱齒輪轉矩T=9549×p/n=9549×90/1406=611.24N·m；

⑥斜齒圓柱齒輪產生的圓周力Ft=2000T/d高

=2000×611.24/71.84=17016.7N；

⑦斜齒圓柱齒輪產生的軸向力Fa=Ft×tanβ=17016.7×0.231=3930.86N；

⑧將⑤和⑦代入②得到：

⑨將⑧代人①：

⑩采用壓入法裝配，配合面最小過盈量：

根據《機械設計手冊》的公式計算，該液耦聯軸器圓柱過盈連接最小過盈量至少需0.016mm，而實際拆解后未磨損的情況下，配合間隙通常在0～0.02mm之間，基本處于過渡配合與間隙配合狀態。

減速機齒輪軸和液耦主軸的材料一般優于鍵的材料，減速機齒輪軸通常采用42CrMo，液耦等設備的主軸通常采用45#鋼、20Cr、40Cr，齒輪軸和液耦主軸通常采取調質處理來提升軸類的綜合力學性能。鍵一般常用45#鋼，對于輪轂系非鐵金屬或非金屬材料，鍵可用20#、Q235-A鋼。當液耦聯軸器與減速機輸入軸配合松動后，扭矩僅依靠平鍵和鍵槽側面傳遞，在長期振動、沖擊力的作用下，三者中材料強度最弱的平鍵最先出現剪切現象，逐漸影響鍵槽使鍵槽側面受到損傷，最終出現清箅機破碎輥丟轉故障。

3 破碎輥減速機與液耦連接形式改造

3.1 設計連接時應考慮的問題

首先，為使連接可靠，這些接合面應有足夠大的尺寸和合理的形狀，它們的接合面必須緊密貼合，因此兩零件的接合面形狀應簡單才容易得到高精度和緊密的配合，保證足夠的強度。最常見的接合面是平面、圓柱面和圓錐面。其次，連接形式要確保加工、裝配、拆卸和修理方便，同時在保證連接強度以外還應該注意避免其它失效，如防止螺紋連接松脫、不同金屬連接腐蝕。必要時把幾種連接方式結合使用，達到更好的效果，如過盈配合與鍵同時采用。

根據液耦聯軸器連接特點和上述要求，原先采用的圓柱過盈連接由于拆卸、裝配不便無法保證足夠的過盈量和強度，所以選擇脹套連接（屬于圓錐過盈連接）。

3.2 脹套連接的特點和應用

脹套連接是將軸和轂孔之間裝入一對或數對以內、外錐面貼合的帳套，在軸向力的作用下，內套縮小，外套脹大，形成過盈配合，靠摩擦力傳遞轉矩和軸向力，對被連接件沒有鍵槽削弱，沒有相對運動，脹套在脹緊后無正反轉的運動誤差。具有定心精度好，制造和安裝簡單，脹套安裝無需加熱、冷卻或加壓設備，只需將脹套端面均布的螺釘按規定的力矩擰緊即可，可以將輪轂在軸上很方便地調整到所需的位置。有良好的互換性，拆卸和安裝方便。

根據脹套的特點，考慮到齒輪軸和液耦轂孔的結構，將液耦轂孔由原先的圓柱孔加工成1：25的圓錐孔，根據齒輪軸外徑和液耦轂孔錐度設計加工一個外錐面中間套，材料為45#鋼，中間套內孔加工成與齒輪軸頸相配合的圓柱孔，中間套外徑加工成與液耦轂孔相配合的圓錐面（錐度1：25），中間套單側沿軸線方向開一條寬度3mm的收縮縫，液耦轂孔端面加工4個中間套緊固螺栓孔和2個拆卸用頂絲孔（見圖2）。液耦帶錐度的轂孔和中間套外圓錐面形成一對相互配合的脹套，安裝時將中間套裝在齒輪軸合適位置，再將液耦整體推向中間套，液耦主軸轂孔內錐面與中間套外錐面貼合后通過中間套端面4顆緊固螺栓與液耦轂孔端面的螺栓孔相連、壓緊，中間套外錐面在液耦轂孔內錐面的作用下，使中間套收縮縫收縮，內圓柱孔孔徑縮小，最終實現更大的徑向壓力和過盈量，達到傳遞更大的載荷目的。

3.3 脹套連接承載能力校核

圖2 脹套結構

雖然現在各種脹套已標準化，選用時只需根據妥為設計的軸頸和輪轂尺寸以及傳遞載荷的大小，按標準選擇合適的型號和尺寸，就可校核其承載能力，但清箅機液偶聯軸器由于根據圓柱面過盈連接形式進行改造，其結構形式和標準化脹套和圓錐過盈連接仍有所區別。圓錐過盈連接中間套不設計收縮縫，端面無壓緊螺釘，采用液壓法和軸端螺母壓緊的過盈安裝方式。Z2型式標準化脹套是由1個開口的雙錐內環、1個開口的雙錐外環和2個雙錐壓緊環組成，錐套與軸的接觸面較短，脹套端面用壓緊螺釘壓緊，在壓緊力的作用下開口的錐環收縮產生更大的徑向壓緊力。Z3型標準脹套內外錐環用壓緊螺釘壓緊，在一個錐環上備有拆卸用頂絲孔，錐套和軸的接觸面較長，錐套是一個整體，無軸向收縮縫。Z2型和Z3型脹緊連接套的基本尺寸和參數見表1。

表1 脹緊連接套基本尺寸和參數

清箅機液耦聯軸器改造的脹套連接，按載荷校核脹套的承載能力，應滿足：

式中：T為傳遞的扭矩，N·mm；Tt1個帳套連接套的額定轉矩，N·mm；Fa為傳遞的軸向力，N；P為脹套與軸接合面上的壓力，MPa；dm為帳套結合面平均圓錐直徑，mm。

根據2.2.3.5圓柱面過盈連接最小過盈量中計算所得：

③傳遞聯合作用的轉矩和軸向力

接合面最小圓錐直徑：Φ70

接合面最大圓錐直徑：Φ83

從脹套連接承載能力核算與Z2型、Z3型脹緊連接套的基本尺寸和參數表對比，無論是按脹套內徑還是脹套結合面平均圓錐直徑值比較，傳遞的扭矩、軸向力及聯合作用力都小于額定載荷，該脹套連接都符合使用要求。

4 結語

通過對清箅機破碎輥液耦聯軸器連接形式進行改造，極大提高液耦聯軸器的工作穩定性，避免再次出現液耦聯軸器晃動和丟轉的事件發生，同時減速機齒輪軸、液耦主軸和鍵的運行壽命也得到有效保障。采用脹套連接后，液耦聯軸器的拆卸和安裝變得極為簡便，檢修效率也得到極大提高，在日后清箅機月檢保養中未發生一起液耦聯軸器連接松動的故障。