短軸配裝大扭矩彈簧閘塊離合器應力缺陷與改進

徐元章，劉麗娥

(1.福州市農業科學研究所，福州 350018；2.福州楓蕊生態科技有限公司，福州 350003)

0 引言

離心離合器的種類繁多[1]，它是靠離心體產生離心力來達到自動分離或接合的重要農機傳動部件，設計選配時要考慮動力輸出的最大扭矩、結合轉數和打滑轉數[2-5]。一種主動輪和從動輪不能自由分開的一體式大扭矩彈簧閘塊離合器(以下簡稱為“大彈閘離合器”)，采用兩側各1件的環形拉簧串聯3～4片閘塊并作為彈性元件，通過主動輪的支架軸套套裝在動力輸出軸上。現有該種離合器主動輪的支架軸套長度都小于從動輪的長度(本文均指軸向長度，下同)，當它作為本田GX390型汽油機等輸出軸長度為60 mm動力的大扭矩傳動部件時，一般都是將其安裝在汽油機輸出軸上，而位于輸出軸外端的皮帶槽部分區域卻處在無輸出軸支撐的懸空狀態，在此稱之為“正向安裝”方式。作為高速運轉且受到沖擊力的動力輸出連接件，僅運行100 h后就產生了輸出軸、鍵、鍵槽和離合器的軸套嚴重磨損、松動等可靠性問題。可見常規的大彈閘離合器存在產品設計、安裝與應力方面的缺陷，且未見文獻報道[6-9]。經過產品改進后的新型離合器并采用反向安裝的方式，能解決常規大彈閘離合器產品結構與安裝方面的缺陷而成為大扭矩動力輸出的傳動部件。

1 現有大彈閘離合器應力缺陷分析

1.1 現有大彈閘離合器的結構特點

根據《GB/T13575.2—1992普通和窄V帶傳動》第2部分，大功率的動力需要配裝3～4個V型B槽的大彈閘離合器才能帶動，離合器的兩V型B槽的間距為19 mm，動力輸出軸長度為60 mm的大扭力GX390型汽油機屬于短軸型的動力機，匹配的3個V型B槽大彈閘離合器機件長度約為GX390型汽油機輸出軸長度的2倍，所以現有2～4個V型B槽的大彈閘離合器主動輪的支架軸套一端凹入V型槽皮帶輪側面20 mm以上，以便緊固螺栓能旋入輸出軸固定，并使螺栓頭能隱藏在V型槽側面。

1.2 現有大彈閘離合器與安裝方式與故障問題

現有大彈閘離合器安裝時人們常把從動輪的內輪轂裝在汽油機輸出軸基部，靠近汽油機曲軸箱一側安裝，正向安裝，以利于皮帶的裝卸和整機協調性，而位于輸出軸外端的1～3條皮帶槽區域的軸心卻處在無輸出軸支撐的懸空狀態。作為高速運轉且受到沖擊力的動力輸出連接件，該離合器僅靠其軸套內的兩個支點來承受應力，由此產生力矩使得兩個支點受到的應力大于材料的屈服壓強而發生塑性應變。2016年風送式噴霧機項目組配套的GX390型汽油機正向配裝大彈閘離合器在帶動離心風機和藥泵運行100 h后，發出傳動異響而緊急停機檢修。

停機拆卸了大彈閘離合器，結果見圖1。發現GX390型汽油機的輸出軸及其鍵槽、離合器的鍵槽均被磨損，支架軸套中段的內管壁被磨損成擴管狀，原為6 mm×6 mm×30 mm的正方形鍵被磨損成截面為工字型，固定螺栓出現滑牙而松動，且GX390型汽油機輸出軸內側的墊片被磨損，使得GX390型汽油機的曲軸箱體被二槽離合器的內輪轂側面摩削而發出傳動異響。

圖1 正向安裝大彈閘離合器100 h后的故障

1.3 現有大彈閘離合器的應急修復

針對大彈閘離合器存在的上述問題及其原因分析，鑒于發生故障的大彈閘離合器的支架軸套在皮帶輪一側還有30 mm的支架軸套內圓面和鍵槽之前沒承受應力而相對完好，決定現場對大彈閘離合器應急修復。采用焊接后磨削修復了輸出軸的鍵槽，現場加工了長60 mm的鍵并采取與常見安裝方式相反的反向安裝法，即皮帶槽位于輸出軸的近曲軸箱體一側、內輪轂位于輸出軸的頂端(以下簡稱為“反向安裝”)。雖然應急維修后采用反向安裝方式的大彈閘離合器會給皮帶安裝或拆除帶來不便，并影響了整機的工業設計美感，但大彈閘離合器位于皮帶輪一側的皮帶槽內的支架軸套部位被動力輸出軸相對均勻地承托，改變了原來大彈閘離合器所受的偶合總拉力由兩個點來受力而超過材料的屈服壓強的安裝缺陷，解決了常見的大彈閘離合器正向安裝產生機械應力缺陷的問題，使得藥械能正常運行。

2 新型離合器的改進

分析大彈閘離合器故障并應急維修后，鑒于開發的風送式噴霧機配套大功率GX390型汽油機動力輸出的需要，決定選配一種主動輪支架軸套長度大于從動輪長度的大扭矩的三個B型槽的大彈閘離合器。但市場上買不到合適的產品，通過與廠家聯系改進并定制新型離合器，在轉速、扭矩等相關參數都符合要求的情況下，按固定新型離合器的螺栓形態試制加工了能反向安裝的新型離合器。圖2為新型離合器反向安裝的裝配圖。

1.全牙長螺栓； 2.彈簧墊片；3.固定軸塞；4.拉簧；5.離心閘塊；6.摩擦塊；7.支架軸套； 8.內輪轂； 9.內軸承；10.外軸承；11.外卡簧；12.內卡簧；13.輸出軸；14.調位墊片；15.鍵；16.卡簧防護擋片組件圖2 新型離合器反向安裝的裝配圖

改進后的新型離合器與常規的大彈閘離合器的參數對比見表1。

表1 改進前后大彈閘離合器的主要參數

在圖3中，新型離合器由離心閘塊、支架軸套、內軸承、皮帶輪、外軸承、外卡簧、內卡簧、圈簧、卡簧防護擋片組件等組成，將上述部件按圖3中方位裝配成新型離合器后，將調位墊片和鍵按圖示設置，把穿過彈簧墊片、固定軸塞后全牙長螺栓的螺紋旋進輸出軸的中心螺孔內鎖緊，與現有的大彈閘離合器相比，新型離合器顯著特點是支架軸套的長度大于從動輪的長度。

采用新型離合器及其反向安裝方式，通過300 h的可靠性試驗證明這樣的改進設計是可靠的，可克服動力輸出軸偏短而不能全部承托整個新型離合器所產生的應力缺陷對結構的破壞問題，5年多來新型離合器在風送式噴霧機等裝備作為的大扭矩傳動部件應用，未出現任何故障或可靠性問題。

3 結語

在設計、生產或選配大扭矩的大彈閘離合器時，不能只考慮動力輸出的最大扭矩等常規參數，在動力輸出軸短于大彈閘離合器長度安裝條件下，正向安裝的方式會使大彈閘離合器與輸出軸之間在運行中僅靠兩個點受力，這兩點的應力超過材料的屈服壓強極限就會出現磨損和故障和可靠性問題；針對當前大彈閘離合器正向安裝短軸上存在的應力缺陷，須加長大彈閘離合器的支架軸套至大于從動輪的長度，還需配有固定軸塞、卡簧防護擋片組件的輔助結構，采用反向安裝以使得從動輪皮帶槽區域均被動力輸出軸承托，使大彈閘離合器與輸出軸之間產生的應力由它接觸的“線段”的區域來均勻分攤受力，克服應力缺陷解決機件穩定性和可靠性問題；在有條件時，應選擇動力輸出軸的長度與大扭矩的新型離合器的軸向長度相等的動力。

通過對大扭矩彈簧閘塊離合器的缺陷分析與結構、安裝的方式的改進，該新型離合器作為大扭矩傳動部件可應用于風送式噴霧機、粉粹機、水泵等須卸載起動的農林機械裝備，確保了農機裝備性能的穩定。