停車(chē)設(shè)備聯(lián)軸器螺栓失效分析

覃海標(biāo)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530219）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量飛速增加，目前已成為全球第一大汽車(chē)市場(chǎng)，但隨之而來(lái)的停車(chē)難問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。機(jī)械停車(chē)設(shè)備以其占地少、空間利用高、安全性能好的特點(diǎn)成為了當(dāng)前停車(chē)場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)備量逐年遞增，品種也不斷完善，但各種問(wèn)題也不斷出現(xiàn)。2015年，某市一單位的機(jī)械式停車(chē)設(shè)備在存車(chē)過(guò)程中發(fā)生了車(chē)輛傾覆墜落，一輛小汽車(chē)從車(chē)庫(kù)5層墜落至2層，造成小轎車(chē)嚴(yán)重?fù)p壞，但無(wú)人員傷亡的事故。事故發(fā)生的直接原因是車(chē)輛載車(chē)板提升軸的聯(lián)軸器螺栓斷裂引起的。上述事故設(shè)備為6層的垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備，主體為鋼結(jié)構(gòu)連接而成。主要由升降傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示、橫移系統(tǒng)、載車(chē)板、搬運(yùn)器、平衡重、控制系統(tǒng)等組成。車(chē)輛存取是由提升系統(tǒng)通過(guò)搬運(yùn)器升降到達(dá)指定層站后由橫移車(chē)板左右移動(dòng)來(lái)存取搬運(yùn)器上的車(chē)輛。升降系統(tǒng)

由電機(jī)通過(guò)減速箱將轉(zhuǎn)矩傳到主軸，主軸與減速機(jī)、主軸與主軸之間都是用聯(lián)軸器聯(lián)接，主軸上的鏈輪帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)器的升降，鏈條一端固定載車(chē)板，另一端固定的平衡重。

圖1 升降系統(tǒng)

1 設(shè)計(jì)分析

由上述可知，事故發(fā)生的原因?yàn)槁?lián)軸器的緊固螺栓發(fā)生斷裂導(dǎo)致，如圖2所示。夾殼式聯(lián)軸器將兩段提升軸聯(lián)接起來(lái)用螺栓固定而傳遞轉(zhuǎn)矩。傳動(dòng)過(guò)程中不改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)矩的大小。

圖2 聯(lián)軸器和螺栓

在轉(zhuǎn)矩作用下，螺栓受到軸向力的作用，螺栓螺紋部分可能發(fā)生塑性變形或斷裂。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》第5-5章可知，對(duì)于受拉的螺栓，其破壞形式是螺栓桿螺紋部分發(fā)生斷裂，因此，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算，首先是根據(jù)聯(lián)接的類(lèi)型、聯(lián)接的裝配情況（預(yù)計(jì)或不預(yù)緊）、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力，然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑（螺紋小徑）或校核其強(qiáng)度。

1.1 選型分析

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》和《聯(lián)軸器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》可知，聯(lián)軸器是根據(jù)傳遞載荷的大小、軸轉(zhuǎn)速的高低、被連接兩部件的安裝精度等參數(shù)來(lái)選擇。該機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的提升系統(tǒng)提升轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩不大、對(duì)兩軸的安裝相對(duì)位移無(wú)要求，可選擇剛性聯(lián)軸器，而剛性聯(lián)軸器中有套筒式、夾殼式和凸緣式。在滿足使用性能的前提下，制造單位選擇了裝拆方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低的夾殼式聯(lián)軸器，符合要求。

1.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

根據(jù)制造單位的設(shè)計(jì)文件，在已知減速器輸出參數(shù)的條件下，選用了外徑為110mm、內(nèi)徑為60mm、連接螺栓為M10的夾殼式聯(lián)軸器，如圖3所示。因此，對(duì)選用的螺栓進(jìn)行驗(yàn)算并校核。

圖3 聯(lián)軸器示意圖

聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓成軸對(duì)稱的方式布置，并且只承受轉(zhuǎn)矩，對(duì)其中每一個(gè)具體的螺栓而言，其均勻的受到軸向力（包括預(yù)緊力）作用，因此單個(gè)螺栓的受力F：

式中：R螺栓中心到軸心的距離。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》第5-5章，先根據(jù)連接的受載情況，先求出螺栓的工作拉力F，再根據(jù)連接的工作要求選取殘余預(yù)緊力F1值，然后按式5-15計(jì)算螺栓的總拉力F2。求得F2值后即可進(jìn)行螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。考慮到螺栓在總拉力F2的作用下可能需要補(bǔ)充擰緊，故將總拉力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響。為了保證聯(lián)接的緊密性，以防止聯(lián)接受載后接合面產(chǎn)生縫隙，應(yīng)使F1>0。推薦采用的F1為：對(duì)有密封性要求的聯(lián)接，對(duì)于夾殼式聯(lián)軸器需要螺栓有一定的預(yù)緊力，兩片聯(lián)軸器聯(lián)接緊密，因此殘余預(yù)緊力：

人們對(duì)醫(yī)療工作者期望高,大多數(shù)人認(rèn)為,通過(guò)醫(yī)護(hù)人員的治療,患者都應(yīng)該恢復(fù)健康,一旦不如他們所想,便會(huì)對(duì)醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行責(zé)備,護(hù)士的工作風(fēng)險(xiǎn)大、責(zé)任重,如果護(hù)士在護(hù)理工作中出現(xiàn)差錯(cuò),可能直接影響患者的生命,與此同時(shí),護(hù)士還要承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。據(jù)調(diào)查,擔(dān)心護(hù)理工作出錯(cuò),是臨床護(hù)理人員首要的心理壓力源。

螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力與載荷性質(zhì)（靜、變載荷）、裝配情況（松聯(lián)接或緊聯(lián)接）以及螺紋聯(lián)接件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)。螺紋聯(lián)接件的許用拉應(yīng)力按下式計(jì)算，安全系數(shù)S根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-10取1.5得：

對(duì)于8.8級(jí)螺栓的許用應(yīng)力：

對(duì)于12.9級(jí)螺栓的許用應(yīng)力：

于是螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：

式中：d1螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，mm；為計(jì)算應(yīng)力，MPa。

若采用12.9級(jí)的螺栓：

由計(jì)算結(jié)果可知，若采用8.8級(jí)的螺栓，其最小直徑不能小于16.51mm，若選用12.9級(jí)的螺栓，其最小直徑不能小于12.71mm。制造單位最初選擇了8.8級(jí)M10×30的螺栓，螺栓的最小直徑d1=8.38mm，不符合要求。事故發(fā)生后制造單位已經(jīng)更換了的聯(lián)軸器和螺栓，如圖4所示，聯(lián)軸器螺栓為12.9級(jí)M20，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核：

表1 光譜分析報(bào)告

圖4 M10與M20的螺栓

因此，重新選用的聯(lián)軸器和螺栓符合要求。

2 理化分析

將之前斷裂的螺栓作為樣品送到某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光譜分析，光譜分析報(bào)告顯示其兩件樣品（1#、2#）的含碳量分別為0.284%和0.272%，如表1所示。根據(jù)制造單位提供的“聯(lián)軸器螺栓、鍵強(qiáng)度計(jì)算說(shuō)明”和相關(guān)圖紙顯示，該螺栓的材質(zhì)為45號(hào)鋼，依據(jù)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T699—2015），45號(hào)鋼的含碳量應(yīng)為：0.42%～0.50%，故該螺栓材料的含碳量達(dá)不到45號(hào)鋼的要求。另外，生產(chǎn)廠家提供的生產(chǎn)圖紙上，沒(méi)有注明該螺栓執(zhí)行的國(guó)標(biāo)號(hào)或材質(zhì)、性能等級(jí)等方面的要求，如4.8級(jí)、8.8級(jí)或其他要求，只有型號(hào)規(guī)格的要求，即M10×30。

3 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓斷裂，造成減速機(jī)與傳動(dòng)軸之間動(dòng)力傳輸中斷，導(dǎo)致載車(chē)板傾斜，釀成了本次事故。通過(guò)上述設(shè)計(jì)驗(yàn)算、理化分析，得出該聯(lián)軸器的螺栓設(shè)計(jì)選擇是有誤的，并且通過(guò)理化實(shí)驗(yàn)可以看出，由于制造單位的生產(chǎn)圖紙上沒(méi)有注明該螺栓技術(shù)要求，因此可能采購(gòu)了不符合要求的外協(xié)產(chǎn)品，還有可能是管理上的缺失，沒(méi)有對(duì)外協(xié)件的質(zhì)量進(jìn)行有效的把控。機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、零部件的選用和安裝是車(chē)庫(kù)中很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，保證其設(shè)計(jì)的合理性才能保證設(shè)備的安全性。