升降機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒脹緊套連接的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

沈俊雄 黃 巍 潘振華

（東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，花都 510800）

現(xiàn)有帶式升降機(jī)采用鍵式連接，在升降機(jī)升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)中頻繁出現(xiàn)鍵槽及鍵磨損導(dǎo)致傳動(dòng)失效的情況，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)[1]。

1 原有鍵式連接驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接存在的問(wèn)題

1.1 原有升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒結(jié)構(gòu)

如圖1所示，原有皮帶升降機(jī)由驅(qū)動(dòng)滾筒、滑架組件、配重系統(tǒng)、支架立柱、作業(yè)工裝治具以及提升機(jī)構(gòu)及其制動(dòng)保護(hù)裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置的軸孔連接采用鍵連接方式，如圖2所示，是一種傳統(tǒng)的裝配連接結(jié)構(gòu)。此裝配中，鍵是用來(lái)連接軸上零件并對(duì)它們起周向固定作用，以達(dá)到傳遞扭矩的一種機(jī)械零件[2]。根據(jù)裝配兩部件的配合過(guò)盈量，鍵連接可分為間隙配合（較松鍵連接）、過(guò)渡配合（一般鍵連接）和過(guò)盈配合（較緊鍵連接）3種[3]。其中：松鍵連接適用于需要經(jīng)常拆卸且負(fù)荷不大的結(jié)構(gòu)；較緊鍵連接適用于無(wú)須拆卸且負(fù)荷較大的結(jié)構(gòu)。如果選型不當(dāng)，可能出現(xiàn)鍵連接失效的異常狀態(tài)，如圖3所示。

圖1 升降機(jī)整體結(jié)構(gòu)

圖2 驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接

圖3 鍵連接失效

1.2 原有升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接存在問(wèn)題

原有皮帶升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒連接方式為平鍵連接[4]。平鍵連接方式的工作面為鍵的兩側(cè)面，是靠鍵和鍵槽側(cè)面擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩，其上表面和輪轂槽底之間留有間隙。該連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。公司總裝車間升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接方式選擇上，原始設(shè)備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）選擇了平鍵連接。

然而，該升降機(jī)在日常使用和維護(hù)中要求具備易拆裝特性和正反轉(zhuǎn)特性，導(dǎo)致現(xiàn)有的平鍵連接不能完全滿足現(xiàn)有工況的實(shí)際需求，頻繁出現(xiàn)鍵及鍵槽磨損導(dǎo)致鍵連接失效的問(wèn)題。一旦出現(xiàn)鍵連接失效故障，需要數(shù)小時(shí)搶修才能恢復(fù)生產(chǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

因?yàn)闈L筒支撐軸承等關(guān)鍵部件隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、更換，所以要求輥筒連接方式方便拆卸，不能采用直接焊死或者采用過(guò)盈配合。升降機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)車體等工件在不同高度快速、平穩(wěn)切換，是汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要轉(zhuǎn)載設(shè)備，要求升降機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式是不斷循環(huán)正反轉(zhuǎn)。OEM考慮拆卸的方便性，采用間隙配合的平鍵連接。在長(zhǎng)期正反轉(zhuǎn)沖擊下，鍵槽及鍵逐漸磨損直至傳動(dòng)失效[5]。

2 原因分析

2.1 原有升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接結(jié)構(gòu)缺陷

設(shè)備工況需求條件為重載荷運(yùn)行，正反往復(fù)升降，保養(yǎng)需便于拆卸。OEM為了安裝方便，將原有升降機(jī)輥筒鍵連接及軸孔配合設(shè)計(jì)為間隙配合。該軸孔配合方式中，驅(qū)動(dòng)軸和安裝孔之間存在微小的間隙，便于安裝，缺點(diǎn)是嚴(yán)重降低了設(shè)備耐用性。

2.2 原有升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒鍵連接失效形成

升降機(jī)長(zhǎng)期上升下降運(yùn)動(dòng)，使得鍵及鍵槽反復(fù)受到正反轉(zhuǎn)沖擊。初期的微小沖擊不易發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期沖擊后，配合之間的間隙逐漸擴(kuò)大，沖擊加大，直至鍵連接傳動(dòng)失效，如圖4所示。

圖4 原升降機(jī)輥筒連接軸承配合尺寸關(guān)系

3 解決方案和設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 脹緊套工作原理

脹緊套是一種無(wú)鍵連接裝置，通過(guò)高強(qiáng)度螺栓擰緊力作用，在內(nèi)環(huán)與軸之間、外環(huán)與輪轂之間產(chǎn)生巨大膨脹抱緊力，實(shí)現(xiàn)無(wú)鍵連接。當(dāng)承受負(fù)荷時(shí)，靠脹套與機(jī)件、軸的結(jié)合壓力及相伴產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩、軸向力或二者的復(fù)合載荷，如圖5所示。脹套連接對(duì)中精度高，安裝、調(diào)整、拆卸方便，強(qiáng)度高，連接穩(wěn)定可靠，在超載時(shí)可以保護(hù)設(shè)備免受損壞，尤其適用于傳遞重型負(fù)荷。脹緊套既能實(shí)現(xiàn)接近過(guò)盈配合的效果，又能在需要時(shí)拆卸，可以解決本案遇到的疑難問(wèn)題。

圖5 脹緊套工作原理

3.2 升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒脹緊套連接的設(shè)計(jì)計(jì)算

脹緊套結(jié)構(gòu)具有適合重載荷運(yùn)行、正反往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及便于拆卸的特性。選用脹緊套主要考慮傳遞扭矩、承受的軸向力和接觸面壓強(qiáng)等因素。

傳遞扭矩、承受軸向力和接觸面壓強(qiáng)，分別需滿足

式中：M為需傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；Mt為脹套的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Fx為需承受的軸向力，kN；Ft為脹套的額定軸向力，kN；Fr為需承受的徑向力，kN；d為脹套內(nèi)徑，mm；l為脹套內(nèi)環(huán)寬度，mm；Pt為脹套與軸結(jié)合面上的實(shí)際壓強(qiáng)，MPa；Pf為脹套與軸結(jié)合面上的額定壓強(qiáng)，MPa。

以內(nèi)飾空滑板升降機(jī)賬套選型核算為例進(jìn)行闡述。已知輥筒半徑L為0.18 m，F(xiàn)為升降機(jī)滑架工裝質(zhì)量G1（900 kg）和載體空滑板質(zhì)量G2（2 500 kg）之和，則需傳遞的轉(zhuǎn)矩M為

式中：g為重力加速度，取值9.8 N·kg-1。代入數(shù)值，計(jì)算可得M為5 997.6 N·m。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定傳遞轉(zhuǎn)矩Mt為19 000 N·m，大于M的取值5 997.6 N·m，且有3倍安全系數(shù)，滿足需求。

需承受的徑向力Fr和需承受的軸向力Fx，分別為

式中：g為重力加速度，取值9.8 N·kg-1。代入數(shù)值，計(jì)算可得Fr為33.32 kN，F(xiàn)x為15.37 kN。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定軸向力Ft為412 kN，大于Fx的取值15.37 kN，且有10倍以上安全系數(shù)，滿足需求。

接觸面壓強(qiáng)Pt為

代入數(shù)值，計(jì)算可得Pt為4.5 MPa。Z12A-095/100/120型脹緊套最小額定接觸面壓強(qiáng)Ff為112 MPa，大于Pt的取值4.5 MPa，且有10倍以上安全系數(shù)，滿足需求。

綜上所述，采用Z12A-095/100/120型脹緊套滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

3.3 實(shí)施

目前，東風(fēng)日產(chǎn)花都工廠總裝配車間25臺(tái)升降機(jī)已全部改造為脹緊套連接方式，如圖6所示，驅(qū)動(dòng)輥筒上的聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)輥筒上的連接均采用脹緊套。最早改造的已使用2年多，改良效果明顯。同時(shí)，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，隨時(shí)進(jìn)行切換，提升了設(shè)備使用的可靠性。

圖6 升降機(jī)驅(qū)動(dòng)輥筒脹緊套連接

4 結(jié)語(yǔ)

文章提出了一種升降機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的連接方式，闡述了平鍵連接在往復(fù)正反轉(zhuǎn)的升降機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒上使用的弊端，說(shuō)明了脹緊套工作的基本原理，并用公司實(shí)際使用的升降機(jī)脹套選型計(jì)算進(jìn)行分析。方案在公司實(shí)施3年，效果顯著。