彈簧銷聯軸器的失效分析及改進設計

潘 元，萬世華，張富存

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油621703)

1 引言

彈簧銷聯軸器是一種金屬彈性元件聯軸器，具有減振、緩沖和補償量大等特點。與非金屬彈性元件聯軸器相比，它具有承載能力大、使用壽命長、外形尺寸小、維護方便的優點，但也存在結構復雜、加工精度要求高、材料利用率低的缺點，并且在運行過程中出現了彈簧銷散落、柱銷斷裂、銷孔壓潰等失效缺陷，嚴重影響了彈簧銷聯軸器的推廣應用［1，2］。 本文通過對彈簧銷聯軸器失效機理進行分析，從簡化聯軸器結構、降低加工成本和安裝難度、提高運行可靠性方面進行改進設計。

2 改進前的結構及工作特性

2.1 彈簧銷聯軸器結構分析

圖1所示為彈簧銷聯軸器結構簡圖，其主要由半聯軸器、輻板、柱銷、彈簧銷、蓋板和外筒組成。其中，彈簧銷是聯軸器的彈性元件，由直線彈簧、杯套、連桿、定距套和襯套組成。彈簧銷的一端與從動端半聯軸器直接聯接，另一端通過輻板、柱銷與從動端半聯軸器聯接。原設計想通過此種方式來改善彈簧銷的受力形式、提高承載能力，但結構中柱銷占據了彈簧銷的位置，致使彈簧銷數量減少，反而降低了承載能力。多個柱銷聯接輻板與從動半聯軸器產生過定位，導致加工精度提高、難度加大，彈簧銷受力不均。同時，又存在由輻板、柱銷、外筒、從動端半聯軸器組成的框架結構，造成聯軸器零件數量多、結構復雜。

圖1 彈簧銷聯軸器結構簡圖Fig.1 Spring pin coupling structure

2.2 工作原理

聯軸器的主動半聯軸器通過彈簧銷與框架結構聯接從動半聯軸器來傳遞運動和動力。聯軸器可根據使用情況通過計算調整直線彈簧的數量、長度和直徑，起到補償主、從動軸的角向、徑向及綜合偏差，吸收振動并緩沖起動沖擊和變負荷沖擊的作用。

3 失效分析

3.1 損壞情況

用于綿陽熱電廠磨煤機上的THX-8型聯軸器和用于安縣水泥廠水泥磨機上的THXC-10型聯軸器在使用過程中均出現過柱銷斷裂、中間部分磨損嚴重，彈簧銷中的彈簧鋼絲中間部分磨損、彈簧銷散落，主、從動半聯軸器上彈簧銷孔磨損嚴重，主動端半聯軸器上的柱銷孔已磨成橢圓形并伴隨有表面壓潰等現象，如圖2所示。

3.2 失效分析

根椐彈簧銷聯軸器的結構和工作原理，本文對上述失效情況進行了分析，認為造成彈簧銷聯軸器失效的主要原因有：

(1)銷孔失效

由于設備的主、從動軸不對中及彈簧銷與半聯軸器的銷孔之間采用間隙配合，導致孔中心與彈簧銷中心不一致，如圖3所示，O為聯軸器的中心，O1為孔的中心，O2為彈簧銷的中心。彈簧銷以孔中心O1為圓心作平移運動，其頻率為聯軸器的旋轉頻率，長期運行產生微動磨損，使得銷孔之間的間隙變大，對中精度變低，相對速度變大，磨損越來越厲害，從而導致聯軸器銷孔因過度磨損而失效。

(2)彈簧銷、柱銷失效

在產品設計時，過多地強調了聯軸器對設備的保護功能、對不對中的補償能力和緩解沖擊的作用。正常工作時彈簧銷的撓度為1.0 mm左右，當在帶載起動和運行過程中有沖擊時，由于其剛度不足使得彈簧銷產生較大變形。因柱銷與主動端半聯軸器上的柱銷過孔間直徑差為3.0 mm，當彈簧銷撓度過大超過1.5 mm后，引起柱銷與過孔表面接觸，導致主要負荷集中在柱銷上，且由于接觸應力過大致使柱銷迅速磨損。當磨損達到一定程度后，柱銷因無法承受過大應力而斷裂。柱銷失效后，全部負荷集中作用在彈簧銷上，使得其撓度迅速加大，同時又由于彈簧銷內鋼絲無序排列，在杯套內表面與鋼絲間產生間隙，造成銷孔、彈簧鋼絲磨損及彈簧銷中的連桿與杯套脫開，最終導致彈簧銷散架。

(3)銷孔表面壓潰

原設計希望通過減小杯套長度來增大補償不對中的能力，但卻造成了銷孔表面接觸應力過大，從而使銷孔表面產生壓潰。

4 改進設計

針對加工過程中和實際使用中出現的問題，本文對聯軸器進行了改進設計，改進后的聯軸器結構見圖4。

圖4 改進后的聯軸器Fig.4 Improved design of the coupling

4.1 改進措施

(1)結構改進

①取消輻板、柱銷，增加彈簧銷數量；

②簡化彈簧銷結構，改變其焊縫結構，增加焊接強度；

③增大彈簧銷與孔的接觸面積，降低接觸應力。

改進后的彈簧銷受力形式為懸臂梁，可減小彈簧銷長度，減少配合面數量，從而簡化了結構。

(2)針對失效進行的改進

①對聯接半聯軸器與彈簧銷的法蘭孔進行鑲套，提高其表面硬度，增強耐磨性能；

②在彈簧銷兩端留儲油空間，并對彈簧銷進行浸油處理，用以改善潤滑條件，減少微動磨損；

③加大彈簧銷鋼絲直徑，減小鋼絲作用長度，從而增加其剛度，提高承載能力；

④對杯套內孔及鋼絲的直徑進行優化，對鋼絲的排列進行模擬，使鋼絲與杯套間產生過盈配合，消除間隙并減少磨損。

4.2 靜態試驗

對改進前后額定扭矩(6 100 N·m)相同的兩個THXC-10型聯軸器進行靜態試驗對比，試驗結果見圖5及表1。

圖5 扭矩-相對位移關系曲線Fig.5 Relative displacement vs.torque

表1 扭轉剛度對比Table 1 Comparison of torsional stiffness

從圖5和表1的對比中可看出，80%～100%額定載荷的平均扭轉剛度和100%～150%額定載荷的平均扭轉剛度在改進前變化較大，這是由于彈簧銷內鋼絲與杯套間的間隙所引起的，但在相同載荷條件下，改進后的平均扭轉剛度變化趨于穩定。再根據平均扭轉剛度和相對位移變化值可看出，聯軸器改進前后兩組數據變化很小，平均扭轉剛度很接近。從扭轉剛度方面考慮，此改進措施切實可行。

5 結束語

對彈簧銷聯軸器進行上述改進能簡化結構，降低成本。經靜態試驗證明，改進措施切實可行。并且，改進后的聯軸器在內蒙古東勝電廠磨煤機上連續運行十個月且情況良好，這也說明該改進設計的成功。改進后的彈簧銷聯軸器設計已獲得國家專利(專利號：ZL200820114615.7)，并于 2009年 12月12日在中國機械通用零部件工業協會傳動聯接件分會二屆二次年會上通過國家標準審核。

[1]周明衡.聯軸器選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]阮忠唐.聯軸器、離合器設計與選用指南[M].北京：化學工業出版社，2006.