輪胎式聯(lián)軸器選用和校核

劉小輝

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

輪胎式聯(lián)軸器屬于高彈性撓性聯(lián)軸器，因其具有位移補償作用，能夠合理地改善軸系的傳動特性，而廣泛應用于軸系對中精度不高、傳動載荷不均勻的設備上，如內燃機、沖床、軋機、船用發(fā)電機、船舶主機推進軸系。在選型和校核輪胎式聯(lián)軸器時，需充分考慮傳動系統(tǒng)的動力特性、負載情況、工況要求以及環(huán)境條件等一系列因素。

1 結構特點

輪胎式聯(lián)軸器通過向外或向內凸起的輪胎形高彈性橡膠半輪胎元件傳遞扭矩，半輪胎通過硫化膠合在鋼制半殼體上，半殼體與輪轂用螺栓連接，安裝簡單，拆卸方便，不需潤滑，減震能力強，補償兩軸相對位移的能力較大[1]。其基本結構如圖1，是由橡膠或橡膠織物制成的輪胎狀彈性元件，兩端由壓板和螺釘分別固定在兩個半聯(lián)軸器上[2]。

圖1 輪胎式聯(lián)軸器基本結構

高彈性聯(lián)軸器在傳遞扭矩時會產生扭轉變形，并會沿軸向伸長，若在傳遞扭矩過程中橡膠元件兩端為剛性約束，將會產生很大的軸向力。輪胎式聯(lián)軸器利用橡膠高彈性特性，通過調整軸系固有頻率和降低扭振振幅來改善軸系特性，改善軸系的對中性，吸收兩軸間平行、角度及軸向偏差，避免軸向力過大引起的危害，適合于啟動頻繁、正反轉多變、沖擊較大、載荷不均勻的設備。合理地選用輪胎式聯(lián)軸器關系到軸系的傳動性能、使用壽命、維護保養(yǎng)和經濟性，需要引起重視。

2 關鍵特性

2.1 額定轉矩、最大轉矩

額定轉矩是指滿足設備持續(xù)工作下的平均轉矩，最大轉矩是考慮到啟動、沖擊、通過臨界點等情況能夠滿足設備瞬態(tài)工況的工作轉矩。選型和校核時最大轉矩須小于所選聯(lián)軸器的許用轉矩。

2.2 動態(tài)扭轉剛度和相對阻尼

動態(tài)扭轉剛度是一個振動周期內彈性轉矩與對應扭轉角的振幅之比，可以調節(jié)軸系的自振頻率，以實現(xiàn)避開共振。相對阻尼是在一個振動周期內轉換成熱量的阻尼功與彈性變形功之比，反映其衰減振動的能力。

2.3 許用軸向位移、許用徑向位移、許用角位移

三者分別是允許聯(lián)軸器主、從動端相對端面和軸線的偏移量，這個偏移量是由安裝誤差、軸的竄動和跳動、熱膨脹、基座變形和振動所引起的，反映了聯(lián)軸器補償主、從動機兩端軸線位移的能力[3]。

3 適用工況

對于載荷存在一定的不均勻性的設備，其傳動會產生不可避免的徑向位移或軸向位移，產生一定的扭矩沖擊，從聯(lián)軸器種類上應選擇撓性聯(lián)軸器。由于使用時存在正反轉多變，當聯(lián)軸器聯(lián)接的兩個轉動質量的角速度不一樣大時，會產生速度沖擊，這種速度沖擊大多數(shù)情況下是由于聯(lián)軸器或原動件的轉動間隙產生的，對于重載荷頻繁啟動的場合，應選擇一種高彈性、高阻尼的絕對無間隙的聯(lián)軸器。考慮到維護方便和振動緩沖，應選擇滿足要求的高彈性橡膠聯(lián)軸器，裝有天然橡膠(NR)的輪胎式聯(lián)軸器適合于此工作條件[4]。

4 工程實例

4.1 實例介紹和分析

圖2為軋機的軋件輸送裝置，帶減速箱的交流電動機1安裝在地面基座上，工作輥3兩端的滾子軸承通過軸承座固定在地面上，扎件隨工作輥3的正反轉動被雙向輸送，每個工作輥靠一個驅動電機單獨驅動，在驅動電機1輸出軸和工作輥3輸入軸之間需要選型一種維護簡單，能緩解沖擊，并能夠補償軸向、徑向和角位移，有振動阻尼的聯(lián)軸器。具體參數(shù)如下：工作輥3轉速n=136 r/min，功率P=4.5 kW，每個工作輥所分擔的輸送軋件4質量m=1200 kg，其電機雙向工作，每小時變換方向約65次，工作環(huán)境溫度最高為55℃，驅動電機的轉動慣量約為2.1 kg·m2，工作輥子的轉動慣量約為7.9 kg·m2。

圖2 軋機扎件輸送裝置

根據(jù)使用工況特點，軋機存在頻繁啟動、雙向工作、載荷不均勻等特點，為能補償不可避免的位移，應選擇一種撓性聯(lián)軸器，按照聯(lián)軸器選擇步驟：聯(lián)軸器-撓性-形狀封閉-軸向、徑向、角度、扭轉方向補償-彈性。由于運動中方向交變，應選擇一種高彈性和高阻尼的絕對無間隙的聯(lián)軸器，考慮到維護簡單以及振動緩沖，參考相應的特點，選擇滿足所有要求的高彈性橡膠聯(lián)軸器，裝有天然橡膠(NR)輪胎的輪胎式聯(lián)軸器能夠滿足其要求，其允許的工作溫度范圍為20～80 ℃。

為選用合適的輪胎式聯(lián)軸器，并對其性能進行校核，應先確定扭矩輸入端與輸出端的名義轉矩所產生的載荷，初步選定聯(lián)軸器的型號。然后根據(jù)其沖擊轉矩和正反轉次數(shù)，將系統(tǒng)簡化為雙質量振動系統(tǒng)，將輸入端和輸出端的轉動慣量等效到聯(lián)軸器軸上，并考慮啟動沖擊、溫度影響等因素，計算工作最大轉矩，與所選聯(lián)軸器的許用瞬時最大轉矩相比較。最后校核聯(lián)軸器是否能補償預期的軸向或徑向位移，并計算相應的回復力。

4.2 根據(jù)名義轉矩初選聯(lián)軸器型號

輥子圓周上的摩擦力FR=μFN=μmg決定了可傳遞扭矩，即負載端的名義轉矩。

TLN=FRd/2=μmgd/2=0.157×1200×9.8×0.57/2=526.2 N·m。

式中：負載端的名義轉矩為滾子和軋件之間的摩擦封閉所限制的轉矩，其摩擦系數(shù)μ≈0.157。為了找到經濟性最優(yōu)的聯(lián)軸器型號，按最惡劣載荷類型設計。根據(jù)制造商數(shù)據(jù)表格查詢天然橡膠(NR)輪胎式聯(lián)軸器在t=55 ℃時的溫度系數(shù)St=1.4，得到負載端名義轉矩決定的載荷為TK=TLNSt=526.2×1.4=736.7 N·m≤TKN。

根據(jù)計算的負載端名義轉矩，參照國標GB/T5844—2002選擇UL10型輪胎式聯(lián)軸器。其具體參數(shù)為：名義轉矩TKN=800 N·m，瞬時最大轉矩TKmax=2240 N·m，半聯(lián)軸器的轉動慣量為J1=J2=0.1596 kg·m2[5]。

4.3 校核聯(lián)軸器

考慮到交流電機在啟動時有轉矩沖擊，啟動端的沖擊、工作溫度升高時強度下降程度以及持續(xù)交變轉矩對頻率的相關程度均影響工作性能，將系統(tǒng)簡化為雙質量振動系統(tǒng)，其聯(lián)軸器在主動端考慮沖擊后的計算轉矩為：

計算負載端JL等效到電動機(聯(lián)軸器)軸的轉動慣量，以速度V運動的軋件，其質量m等效到角速度為ω的聯(lián)軸器軸上的轉動慣量為：

其中：每個輥子所分擔的軋件質量為m=1200 kg；

總轉動慣量還要考慮負載端以ω旋轉的半聯(lián)軸器和輥子，相加后負載端的總轉動慣量為：

JL=97.68+0.1596+7.9=105.74 kg·m2

主動端的轉動慣量含驅動電機的轉動慣量和主動端半聯(lián)軸器的轉動慣量：

JA=2.1+0.1596=2.259 kg·m2

考慮沖擊的轉矩=交流電動機的極限轉矩=2.4×交流電動機的名義轉矩。主動端的沖擊轉矩為：

TAS=2.4TAN=2.4×9550×4.5/136=758.4 N·m

考慮到沖擊、啟動以及溫度對工作性能的影響，通過加權系數(shù)SA、St、SZ來表示，并由依據(jù)聯(lián)軸器制造商給出的數(shù)據(jù)表格手冊，確定主動端的沖擊系數(shù)SA=1.8，啟動系數(shù)SZ=1.3(雙向工作z=65×2=130)，溫度系數(shù)St=1.4，所以考慮主動端沖擊后的計算轉矩為：

=2432.5 N·m

考慮啟動沖擊后的計算轉矩大于所選UL10型輪胎式聯(lián)軸器的許用轉矩：

TK>TKmax=2240 N·m

故知按名義轉矩所選的輪胎式聯(lián)軸器太小，應選擇大一級型號的輪胎式聯(lián)軸器，參照國標GB/T5844—2002選擇UL11型輪胎式聯(lián)軸器。其具體參數(shù)為：名義轉矩TKN=1000 N·m，瞬時最大轉矩TKmax=2500 N·m，半聯(lián)軸器的轉動慣量J1=J2=0.2792 kg·m2。

TK=2432.5 N·m≤TKmax=2500 N·m

選擇UL11型輪胎式聯(lián)軸器，滿足要求。

4.4 校核補償位移并計算回復力

實例中根據(jù)設備的使用工況，提出預期補償?shù)妮S向位移、徑向位移及角位移分別為1.5 mm、2 mm、0.75°。軸向位移會在聯(lián)軸器中產生靜載荷，而徑向位移和角位移會產生交變載荷，位移的補償會減小與其相鄰的軸或軸承對其的反力，減小其對設備的危害，這在一定條件下必須加以考慮[7]。在校核時還需要考慮到溫度、頻率等因素對補償量的影響，所選的輪胎聯(lián)軸器的許用位移與預期位移補償值之間須滿足下述條件：

ΔWaSt≤ΔKa；ΔWrStSf≤ΔKr；ΔWwStSf≤ΔKw。

式中，ΔKa、ΔKr、ΔKw為半聯(lián)軸器之間的許用軸向、徑向和角位移。根據(jù)GB/T5844—2002規(guī)定，查表可知，UL11型輪胎式聯(lián)軸器許用補償量ΔKa=3 mm，ΔKr=3.6 mm，ΔKw=1.5°。

St、Sf為溫度系數(shù)、頻率系數(shù)。對于天然橡膠(NR)聯(lián)軸器，工作環(huán)境溫度為40℃～60℃時，St=1.4。角速度ω≤36 s-1時，Sf=1.0。

ΔWa、ΔWr、ΔWw為設備軸系軸向位移、徑向位移、角位移的預期補償值。

由此可知，UL11型輪胎式聯(lián)軸器滿足條件：

ΔWaSt=1.5×1.4=2.1 mm≤ΔKa=3 mm

ΔWrStSf=2×1.4×1=2.8 mm≤ΔKr=3.6 mm

ΔWwStSf=0.75×1.4×1=1.05°≤ΔKw=1.5°

在實際應用中，聯(lián)軸器的軸向補償位移、徑向補償位移會產生回復力，角度補償位移會產生回復力矩，使聯(lián)軸器本身、軸及軸承承受附加載荷，有必要計算回復力和回復力矩來輔助設計聯(lián)軸器、軸及軸承。對于輪胎式聯(lián)軸器，根據(jù)其在軸向、徑向、扭轉方向的彈簧剛度Ca、Cr、Cw(生產廠商提供)可計算位移預期補償值對應的回復力和回復力矩。

軸向回復力：Fa=ΔWaCa=1.5×440=660N

徑向回復力：Fr=ΔWrCr=2×280=560N

5 結論

輪胎式聯(lián)軸器，安裝簡單，不需潤滑，減震能力強，對設備軸系軸向位移、徑向位移、角位移補償能力較大，適合于啟動頻繁、正反轉多變、沖擊較大、載荷不均勻的工況。其選用和校核須考慮轉矩沖擊、啟動端的沖擊、工作溫度升高時強度下降程度以及持續(xù)交變轉矩對頻率的相關程度等因素的影響，校核時計算沖擊轉矩，與聯(lián)軸器允許的瞬時最大轉矩進行比較。并進一步校核使用工況條件下，聯(lián)軸器的軸向、徑向和角位移的預期補償量，加上使用溫度及頻率等因素的影響，與許用值相比較是否滿足預期補償，根據(jù)預期補償值計算相應的回復力和回復力矩。