國產上充泵電機聯軸器的對比分析

李松霖 陳帥 李海泳

摘要：在上充泵泵組的檢修過程中，A廠生產的上充泵電機聯軸器拆卸困難，而B廠生產的上充泵電機聯軸器拆卸較為容易。為探究其原因，本文通過理論計算和ANSYS仿真對比分析了兩種聯軸器的相關參數，發現A廠的聯軸器相較B廠使用的聯軸器設計裕量大，現場拆卸較為困難。

關鍵詞：上充泵;聯軸器;ANSYS

引言或概述

上充泵是核電廠重要的核安全設備，現國產上充泵的驅動電機均為佳木斯電機廠生產的臥式三相異步電機。該電機與齒輪箱連接的聯軸器主要有A廠使用的WG9-100×120-110×210型聯軸器和B廠使用的ZAPEX/ZIZS 2.0A型聯軸器，以下簡稱WG型聯軸器和ZA型聯軸器。這兩種類型的聯軸器傳遞的功率相近，但WG型聯軸器各項尺寸較ZA型聯軸器尺寸有較大差異，現場檢修過程中發現WG型進聯軸器拆卸困難，ZA型聯軸器拆卸相對容易。本文通過計算對比分析兩種聯軸器的相關參數。發現WG型聯軸器設計裕量大，雖然該聯軸器安全系數高，但現場拆卸困難，不便于現場檢修。

1 ?國產上充泵電機聯軸器介紹

國產上充泵電機聯軸器主要有兩個類型，分別為A廠使用的WG型和B廠使用的ZA型。這兩種聯軸器均為齒形聯軸器，該類聯軸器具有徑向尺寸小，承載能力大，可補償軸向，徑向和角對中偏差。在石油，化工，能源行業具有廣泛的應用。

2 ?聯軸器幾何尺寸和材料對比介紹

根據相關廠家的設計資料，WG型聯軸器內孔與電機軸的過盈量最大為0.13mm，ZA型聯軸器內孔與電機軸的過盈量最大為0.15mm。聯軸器相關尺寸如圖1所示（括號中尺寸為WG型聯軸器的尺寸），聯軸器相關尺寸對比如表1所示。

通過對比相關尺寸，發現兩種聯軸器的配合過盈量相當，而對比聯軸器輪轂厚度和配合長度，WG型聯軸器大約為ZA型聯軸器的兩倍。

根據廠家技術文件，WG型聯軸器的材料為42CrMo，ZA型聯軸器的材料為45#鋼，材料相關力學性能見表2。通過對比，可以發現WG型聯軸器的材料無論是抗拉強度還是屈服強度，均比ZA型大很多，說明WG型聯軸器在設計選材時更加保守。

3 ?聯軸器傳遞扭矩對比介紹

根據兩種聯軸器和電機軸的過盈量以及相關的材料參數，分別計算出相應聯軸器傳遞的最大扭矩。根據彈性理論，過盈配合面的壓力p[1]的計算如下：

①

其中為兩個零件之間的徑向過盈量;r為配合處的公稱半徑;為中空軸的內半徑（實心軸時為0）;為包容件外半徑;E和v分別為材料的彈性模量和泊松比。

根據上充泵電機聯軸器的工作特性，該聯軸器主要是傳遞扭矩。該聯軸器傳遞的最大扭矩為最大靜摩擦力矩T。

T=pfL ? ? ? ? ? ? ? ? ?②

②式中，P為過盈配合面的壓力，f為配合面摩擦系數[2]，根據d為配合直徑，L為配合長度。

根據廠家技術文件，WG型聯軸器和ZA型聯軸器傳遞功率均為650Kw，根據聯軸器傳遞功率由下③式可以得出聯軸器實際傳遞扭矩。

③

在③式中，為聯軸器實際傳遞扭矩，P為聯軸器傳遞功率，n為電機軸轉速。

根據①②③式可分別計算得出兩類聯軸器的過盈面接觸壓力，最大傳遞扭矩和實際傳遞扭矩，相關計算結果見表3。

根據表3的數據可以得出，兩種聯軸器的過盈面壓力均小于一般鋼軸與鋼制輪轂間的許用擠壓應力（100～150Mpa），兩種聯軸器的過盈量滿足現場使用要求。通過對比兩種聯軸器的傳遞扭矩，發現雖然兩種聯軸器實際傳遞扭矩相同，但WG型聯軸器的最大傳遞扭矩為ZA型聯軸器的2.3倍，一般聯軸器軸套輪轂與軸的安全摩擦力矩為最大傳遞扭矩的1.5～3倍[3]。通過表3可以看出，ZA型聯軸器最大傳遞扭矩與實際轉遞扭矩之比為3.9，而WG型聯軸器最大傳遞扭矩與實際轉遞扭矩之比為8.8，遠大于標準要求中的1.5～3倍。說明WG型聯軸器設計裕量遠大于ZA型聯軸器，雖說WG型聯軸器的設計對于整個設備來說運行更加安全，但通過聯軸器幾何尺寸對比可以發現WG型聯軸器的幾何尺寸相較于ZA型大得多，給現場的設備空間布置和檢修帶來了額外的困擾。

4 ?聯軸器拆卸工藝介紹

在現場檢修過程中，聯軸器的拆卸是一項很有挑戰性的工作，根據經驗，對于過盈聯軸器，基本上有以下三種拆卸方案。

1）使用氣割或者機加工的方法，直接破壞性拆除聯軸器外齒套。

2）加熱輪轂拆卸法，利用氧乙炔焰或者中頻加熱器對聯軸器輪轂外表面進行加熱，短時間內使聯軸器輪轂受熱膨脹（此時電機軸還未被加熱膨脹）直到完全脹開，再對聯軸器施加一定的軸向力將其拉出。

3）液壓脹開拆卸法，此法是利用聯軸器的加工孔在聯軸器和軸的接合面注入高壓油，直到壓力達到接合面壓強，此時液壓油將聯軸器和電機軸之間完全脹開并形成油膜，再利用千斤頂施加一定的軸向力，使聯軸器與電機軸之間發生相對移動，直到聯軸器完全脫出軸，完成整個拆卸過程。

通過對比3種拆卸方案，方案1需破壞聯軸器，而且在機加工或者切割的過程中還有可能傷到軸，不滿足現場施工要求;通過分析聯軸器的結構信息，發現ZA型聯軸器設計有高壓油孔，可以利用方案3拆卸。WG型聯軸器未設計相關油孔，需選擇方案二進行拆卸，而中頻加熱器相較于氧氣乙炔加熱有加熱速度快，受熱均勻，溫度易控制的優點，所以WG型聯軸器更適合使用方案2中的中頻加熱器加熱拆卸。

從表4可以看出，ZA型聯軸器拆卸時需選用30T千斤頂，而WG型聯軸器需需要選用70T的千斤頂。通過對比可以看出WG型聯軸器拆卸更加困難。

5 ?聯軸器配合有限元分析

通過有限元軟件對表3、表4的理論計算值進行有限元的驗證。使用ANSYS Workbench軟件，分別模擬ZA型和WG型聯軸器的傳遞扭矩和拆卸過程，分析兩種聯軸器傳遞扭矩，拆卸軸向力和配合面壓力。

5.1 ?建立聯軸器的有限元模型

以圖 1幾何尺寸為基礎，在SpaceClaim中分別建立出聯軸器和電機軸的幾何模型，并分別建立相應材料賦給相應的模型，該有限元模型形狀規則，設置網格尺寸為0.5mm，三維模型與網格。聯軸器內壁與電機軸外壁相互接觸形成接觸對，設置接觸為摩擦接觸，摩擦系數為0.1，為了獲得更好的收斂性利用罰函數定義接觸關系。

5.2 ?邊界條件和后處理

結合聯軸器的實際工況，分為兩個模擬分析，分別為傳遞扭矩分析和拉拔軸向力分析。聯軸器傳遞扭矩分析邊界條件為電機軸為無摩擦支撐，給聯軸器施加一個角向位移，使用扭矩探測工具探測聯軸器傳遞扭矩，使用接觸工具讀出聯軸器過盈面的壓力值。聯軸器的拉拔軸向力分析邊界條件為電機軸為無摩擦支撐，給聯軸器施加一個軸向位移，最后讀取約束反力即為聯軸器的拉拔軸向力。同理也可使用接觸工具探測出聯軸器配合面的壓力值。

6 ?結論

1）WG型聯軸器和ZA型聯軸器均滿足核電現場的使用需求，通過分析兩種聯軸器過盈連接的相關參數，ZA型聯軸器同時兼顧了現場使用需求和檢修的便利，過盈結合面壓力適中，傳遞扭矩滿足現場需求，拉拔軸向力適中，在設計上還有便于拆卸的高壓油槽，便于現場的檢修活動。

2）WG型聯軸器的材料參數明顯高于ZA型聯軸器，聯軸器接合面壓力，傳遞扭矩和拆卸軸向力均大于ZA型聯軸器，現場使用安全裕量大。但由此也帶來了一些不利于現場檢修或者現場布置的困擾，例如聯軸器質量偏大;聯軸器拆卸拉拔力大;聯軸器沒有設計高壓油槽，只能選擇加熱拆卸等。WG型聯軸器現場使用裕量大，可以對其進行優化設計，例如減小聯軸器配合長度，減小聯軸器輪轂的厚度等，在滿足現場使用要求的情況下為現場檢修拆卸提供便利。

參考文獻

[1]李佩鴻.超高壓過盈連接組合圓筒的有限元分析.煤炭技術，2015，第34卷第03期：255.

[2]中國國家標準化管理委員會.極限與配合 過盈配合的計算與選用.GB/T 5371-2004：13

[3]史可忠.無鍵齒式聯軸器的安全過盈量核算及裝配控制.檢測與控制，2011：134