裝船機懸臂聯軸器國產化設計及制造

張 楠

（唐山曹妃甸煤炭港務有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

唐山曹妃甸煤炭港務有限公司設計有5 個專業化煤炭裝船外運泊位，包括5 萬DWT 泊位1 個、7 萬DWT 泊位2 個、10萬DWT 泊位2 個。碼頭設計年運量為5000 萬噸。

目前港區布置有4 臺德國蒂森-克虜伯品牌的移動非回轉式裝船機，包括有走行、尾車、伸縮、俯仰、懸臂、溜筒等機構，俯仰工作角度為-12°～+15°，懸臂皮帶帶寬2200 mm，其額定運輸能力為6000 t/h，輸送煤能力優越。

裝船機懸臂機構上布置有雙驅動裝置，包括電機、減速機、聯軸器、制動器。其中聯軸器為進口品牌，價格昂貴，供貨周期長達半年，且內部配件無法單獨購買。為了減少備件費用支出，充分響應“降本增效”的號召，縮短備件采購周期，確保現場備件充足，對聯軸器進行國產化設計制造[1-3]。

在聯軸器設計及制造過程中，以國標為設計依據，充分考慮其配件的互換性，為以后備品備件的改進提供了依據。采用有限元分析軟件對設計的聯軸器進行應力校核[4-5]，表明新型聯軸器可以滿足實際使用要求。國產制造的聯軸器大大降低了成本，并在實際中取得了應用。

1 懸臂聯軸器國產化設計

1.1 現用進口懸臂聯軸器結構

唐山曹妃甸港務有限公司現用SL1、SL2 裝船機原裝聯軸器類型為彈性梅花聯軸器，梅花軟連接“花瓣”采用橢圓形，其許用轉速為1850 r/min，最大轉矩為7200 N·m，半聯軸器及梅花軟連接結構如圖1 所示。

圖1 梅花軟連接結構

1.2 懸臂聯軸器國產化設計

國產梅花軟連接的“花瓣”為圓形（圖2），與現場使用的軟連接橢圓形“花瓣”不一致，無法通過直接選型的方式進行國產化替代。通過查閱資料，國標聯軸器整體尺寸也與現場實際不符，需要對聯軸器進行非標設計。

圖2 國產彈性梅花聯軸器軟連接結構

聯軸器轉矩計算公式為：

其中，T 為理論轉矩；Pw為驅動功率；n 為工作轉速；Kw為動力機系數；K 為工況系數；Kz為啟動系數；Kt為溫度系數；Tn為公稱轉矩。

懸臂驅動電機銘牌標注，Pw=200 kW，n=1486 r/min。對于電機，動力機系數Kw=1.0。查表可知工況系數K=1.5，啟動系數Kz與啟動頻率f 有關，裝船機懸臂啟動頻率f＜120 次/h 時，Kz=1.0。環境溫度在-20～30 ℃時，溫度系數Kt=1。將上述參數代入公式（1）中計算可得：Te=1928 N·m。因此，設計的聯軸器額定轉矩要大于1928 N·m，方可滿足實際需求。

懸臂電機軸直徑為80 mm，懸臂減速機軸直徑為70 mm，由國標GB/T 5272—2002《梅花形彈性聯軸器》，查找大致符合要求的聯軸器型號，發現LMZ9-I-400 型基本符合要求[6]。據此對半聯軸器端面進行尺寸設計，安裝尺寸參考現有進口聯軸器，確保滿足現場安裝尺寸需求。

設計國產聯軸器，并采用Solidworks 軟件繪制的三維爆炸圖（圖3、圖4）。

圖3 國產聯軸器裝配圖

圖4 國產彈性梅花聯軸器爆炸圖

2 有限元分析及應力校核

采用Solidworks 軟件中的Simulation 模塊對設計的國產聯軸器進行仿真分析（圖5a））。對半聯軸器進行網格劃分，單元總數為44 718，節點總數為70 366（圖5b））。半聯軸器承受電機軸作用在鍵槽和套筒處的扭矩以及梅花軟連接對金屬爪的反作用扭矩。由于原進口聯軸器的許用扭矩為7200 N·m，遠大于計算值1928 N·m，所以對標進口聯軸器載荷數值，施加7200 N·m扭矩進行應力校核（圖5c））。對套筒圓柱面施加扭矩，在梅花軟連接處對聯軸器金屬爪反作用面施加約束（圖5d））。

圖5 半聯軸器三維仿真模型

設計的聯軸器材料選用45#鋼，將材料屬性輸入到有限元分析模型中（表1）。

表1 45#鋼材料屬性

經仿真計算，得到半聯軸器的等效應力云圖（圖6）。其中，最大應力位于金屬爪根位置，最大應力值為231 MPa，遠小于所用材料的屈服強度335 MPa。因此設計的新型國產聯軸器符合實際使用要求。

圖6 半聯軸器等效應力云圖

3 國產聯軸器制造及應用

根據上述設計制造國產化聯軸器，并進行現場試裝。該聯軸器安裝尺寸匹配，運轉平穩，能夠替代原有進口聯軸器（圖7）。

圖7 國產聯軸器

國產化后的聯軸器制造費用僅為1600 元，而原進口聯軸器采購費用高達18 996 元，國產制造成本僅為進口聯軸器的8.4%，大大降低了備件成本。該聯軸器易損件梅花軟連接采用國標規格，采買方便，極大縮短了供貨周期，并實現與現場其他聯軸器的軟連接互換，減少備件種類，簡化設備管理。

4 結束語

本文依據國標和現場實際需求，設計一種新型非標梅花聯軸器，該聯軸器尺寸參數能夠滿足裝船機懸臂驅動安裝配合需求。利用Solidworks 軟件進行三維建模，并通過Simulation 模塊進行有限元分析，仿真結果證明設計滿足強度要求，驗證了設計的可靠性。對設計的聯軸器進行加工制造，并投入實際應用。國產聯軸器成本僅為原進口備件的8.4%，有效降低了備件費用。并采用國標軟連接，供貨周期短，通用性強。