快速鏈傳送機構夾殼聯(lián)軸器故障分析

劉賢文

（廣東省廣州市機電技師學院，廣東廣州 510435）

0 引言

連續(xù)軋鋼分廠精整區(qū)的快速鏈傳送機構主要功能是篩選非標準尺寸長度的螺紋鋼材，快速鏈傳送機構如圖1 所示，由分離鏈、液壓馬達、快速鏈、傳動軸及夾殼聯(lián)軸器等組成。分離鏈將標準尺寸螺紋鋼材送入快速鏈后落到打包區(qū)，非標準尺寸鋼材落入非標準標尺寸輸送滾道。生產(chǎn)中快速鏈傳送機構傳動軸的夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性聯(lián)接失效問題故障，在夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接的螺孔有被擠壓現(xiàn)象和螺栓斷裂故障問題，給生產(chǎn)造成嚴重的影響。

圖1 快速鏈傳送機構

1 夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接部位受力的分析

1.1 故障現(xiàn)象

夾殼聯(lián)軸器的結構如圖2 所示，由上夾殼、下夾殼、8 支內(nèi)六角螺絲組成。在軸傳動中夾殼聯(lián)軸器傳遞了液壓馬達提供傳矩力，液壓馬達排量2.5～3600 cm3/r，經(jīng)過減速后輸?shù)絺鲃虞S的轉速100～1000 r/min，最快速度時外緣的線速度約4 m/s。經(jīng)查機械設計手冊，當軸直徑D=80 mm 時，夾殼聯(lián)軸器許用轉矩為2650 N·m，許用轉速2650 r/min，螺栓為M16×70 mm[1]。夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接的內(nèi)六角螺絲直接與下夾殼的機攻螺紋牙聯(lián)接，當設備在生產(chǎn)的過程中夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性的螺紋聯(lián)接松脫，部分螺紋塑性變形和內(nèi)六角螺絲疲勞斷裂，如圖3 所示。同時伴隨螺絲和孔壁的貼合面被壓潰，損壞了夾殼聯(lián)軸器螺孔。

圖2 夾殼聯(lián)軸器的結構

圖3 螺絲斷裂

1.2 內(nèi)六角螺絲擰緊力矩分析

夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲預緊力F0與殼聯(lián)軸器的轉矩有一定正比關系。當夾殼聯(lián)軸器許用轉矩達2650 N·m 的時，在螺紋聯(lián)接體中就要施加大于2650 N·m 的擰緊力矩。在單個螺栓上的預擰緊力為[2]：

式中 Kn——可靠性系數(shù)，取1.2～1.5

M——擰緊扭矩，N·m

μ——聯(lián)接摩擦副的摩擦因數(shù)，0.1～0.16

Z——螺栓數(shù)量

F——擰緊力，kN

D——傳動軸直徑，mm傳遞的軸向力[2]：

在設計上選取擰緊力F0≈（0.5～0.7）σs×As，安全系數(shù)為1.2以上。對于夾殼聯(lián)軸器螺栓既受剪和拉力，傳遞轉矩時還承受突變載荷，采用8.8 級高強度的內(nèi)六角螺絲，可以增加擰緊力F0≈0.75σs。查機械設計手冊，M16 的8.8 級螺栓的屈服強度σs≥800 MPa，得出擰緊力F0≈94.2 kN，拉伸力72.1 kN[1]。在螺紋聯(lián)接體中施加在螺絲上的許用擰緊力矩大于一倍以上夾殼聯(lián)軸器工作承受的力矩，消除了夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲的擰緊力不足引起螺紋聯(lián)接松動的隱患，同時螺絲轉矩力也大于工作時的拉應力和扭轉剪應力。

1.3 配合面摩擦力矩分析

夾殼聯(lián)軸器許用轉矩與聯(lián)軸器配合面的摩擦力矩對聯(lián)接螺栓壽命成正比。聯(lián)軸器配合面的摩擦力矩：

式中 f——配合面的摩擦系數(shù)，一般為0.1～0.2，取0.15

F0——螺栓的預緊力，N

Z——螺栓數(shù)目

d——軸的基本直徑，mm

L——聯(lián)軸器的長度，mm

聯(lián)軸器擰緊轉矩和聯(lián)軸器的配合面摩擦力矩大于夾殼聯(lián)軸器許用轉矩，為2650 N·m。

2 夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲故障機理

反復沖擊下夾殼連軸器六角螺絲頭相對于螺栓的切向滑動，內(nèi)六角頭與給合因受沖擊和材料被擠壓，結合面產(chǎn)生的摩擦力減小，內(nèi)六角螺絲開始產(chǎn)生擺動，F(xiàn) 徑向力作用下與螺孔相接觸螺絲相互擺動產(chǎn)生剪切力，松動后受杠桿力長時間擺動力作用，在螺絲孔的邊緣處是受力支點，螺紋受應力而斷裂。

2.1 內(nèi)六角螺絲松動機理

夾殼聯(lián)軸器兩夾殼依靠擰緊內(nèi)六角螺絲夾緊，緊壓在被聯(lián)接兩軸的表面間的產(chǎn)生壓力P，實現(xiàn)兩軸的聯(lián)接傳遞轉矩T，帶動相鄰軸的旋轉，壓力P 的大小由夾殼聯(lián)軸器的內(nèi)六角螺絲的擰緊力矩決定的。如圖4 所示，當夾殼聯(lián)軸器承受軸向拉或壓載荷時，軸的轉矩載荷力集中轉為六角螺絲的F剪切力，在F剪切力的作用下六角螺絲的螺紋副間將有相對滑動趨勢，并導致聯(lián)接松動，甚至出現(xiàn)六角螺絲松脫。

圖4 螺紋受力分析

2.2 內(nèi)六角螺絲斷裂機理

液壓馬達正反轉輸出力矩時夾殼聯(lián)軸器受到橫向即與螺栓軸線垂直的方向如圖4 所示，六角螺絲既受F剪切力和F拉力。這些力是由液壓馬達輸出的力矩與鏈條導軌的摩擦力、鋼材重力、鋼材與蓋板摩擦力等合成力時，在反復沖擊下夾殼連軸器六角螺絲頭相對于螺栓的切向滑動很容易產(chǎn)生振動，隨著振動載荷的振動頻率增大、六角螺栓副間的摩擦因數(shù)減小甚至到零，破壞了螺紋自鎖條件而有微量的相對滑動，導致螺母自動回轉松動，夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性螺絲斷裂的故障。

3 夾殼聯(lián)器技術改造

螺紋聯(lián)接防松的實質(zhì)，在于防止工作時螺栓和螺母的相對轉動，改變夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接部位的結構形狀，如圖5 所示。通孔外六角螺栓聯(lián)接增大被聯(lián)接件承受部分壓力，螺旋副和被聯(lián)接件接觸表面的摩擦力增大，防止了摩擦力下降至造成松脫的臨界值。螺栓集中承受拉力不變，改造消除了螺栓在螺絲孔的邊緣處是受力支點力作用，在螺母壓緊彈簧墊圈后，在預張力的作用下螺栓的摩擦力增加，防止被聯(lián)接件的相對滑移。螺母就不再出現(xiàn)松動的情況了，避免了螺栓受的集中剪切應力。

圖5 夾殼聯(lián)軸器受力分析

4 結論

內(nèi)六角螺絲與外六角螺栓聯(lián)接，理論上在同樣材料、相同螺紋的兩種螺絲的承載能力一樣。但內(nèi)六角螺絲采用自攻螺紋作為聯(lián)接緊固件時，它不能套用螺栓工作機理來計算它的聯(lián)接強度[3]。因忽略了螺母與聯(lián)軸器件支撐面接觸表面上的摩擦力，內(nèi)六角螺絲擰緊時螺紋副的自鎖作用和螺栓頭與聯(lián)軸器件支撐面接觸表面上的摩擦力只有一個面，大部分力被存儲在緊固件及螺絲中，使螺栓集中承受拉力，被聯(lián)接件承受部分壓力。外六角螺栓與螺母的配合聯(lián)接能使外界軸偏移等因素使這個能量釋放出來，受拉力和剪切力就會減少或消失，當螺紋聯(lián)接受沖擊振動或交變載荷作用時，螺紋副之間和支撐面間的摩擦力不會減小從而引起惡性故障。