清箅機(jī)破碎輥減速機(jī)與液耦連接方式改造研究

邱棟

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，江蘇 寧波 226010）

1 概述

1.1 設(shè)備概述

某煉廠延遲焦化裝置石油焦破碎機(jī)由某公司生產(chǎn)制造的QP系列清箅機(jī)，該機(jī)器屬于敞開(kāi)式邊移動(dòng)邊破碎機(jī)械，前后共設(shè)有2個(gè)破碎輥，通過(guò)在煤箅上前進(jìn)和后退達(dá)到石油焦破碎和清箅工作。破碎輥外表面呈雙螺旋線狀分布破碎齒，破碎齒頭部呈子彈頭形狀，表面均布堆焊6條高強(qiáng)度合金條，不僅可以破碎石油焦等堅(jiān)硬物料，還能破碎混在焦中的柔韌物料。雙螺旋線狀分布的破碎齒在破碎大而硬的物料時(shí)可以將整機(jī)的破碎力和破碎能量瞬間集中于少數(shù)幾個(gè)齒點(diǎn)上，將煤箅上不能自由下落的大塊物料進(jìn)行破碎，使之下落，從而達(dá)到清理煤箅的目的。清箅機(jī)箱體內(nèi)部2臺(tái)90kW的電動(dòng)機(jī)通過(guò)液力耦合器帶動(dòng)破碎輥減速機(jī)，減速機(jī)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器、鏈輪軸和雙排鏈將動(dòng)力輸送給前后破碎輥對(duì)物料進(jìn)行破碎作業(yè)。

1.2 清箅機(jī)可靠運(yùn)行的意義

焦化裝置焦炭塔水力除焦設(shè)備將生焦塔內(nèi)的石油焦清除下來(lái)后在焦炭池冷卻和暫存，焦炭池上方的行車?yán)米ザ穼⒗鋮s的石油焦運(yùn)送到清箅機(jī)的煤箅上，煤箅孔口尺寸100×100mm，所以大塊的石油焦無(wú)法從煤箅孔口下落，必須由清箅機(jī)破碎輥其將打碎。煤箅下部是皮帶輸送系統(tǒng)，細(xì)碎的石油焦從煤箅孔口落下后由皮帶輸送機(jī)輸送到自備6#碼頭由裝船機(jī)將石油焦裝載到停泊在泊位旁的運(yùn)焦船中出廠。該煉廠焦化裝置采用國(guó)內(nèi)成熟的二爐四塔，大循環(huán)比延遲焦化工藝技術(shù)，24h生焦周期，每天都有2個(gè)塔的石油焦產(chǎn)生，假如清箅機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行則嚴(yán)重影響各生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2 破碎輥減速機(jī)與液耦連接失效故障原因分析

2.1 連接失效的故障形式

該煉廠每月定期對(duì)清箅機(jī)進(jìn)行1次系統(tǒng)的保養(yǎng)與檢查，

在月檢保養(yǎng)中破碎輥減速機(jī)與液耦連接方式故障率較高，主要表現(xiàn)為破碎輥減速機(jī)液耦聯(lián)軸器轂孔與減速機(jī)輸入齒輪軸配合松動(dòng)，造成運(yùn)行過(guò)程中液耦聯(lián)軸器晃動(dòng)大，加劇電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)振動(dòng)值。除了月檢中查到的問(wèn)題外，有時(shí)也會(huì)因液耦聯(lián)軸器故障引起的突發(fā)性搶修，2017年6月，清箅機(jī)在破碎過(guò)程中突然發(fā)生單側(cè)破碎輥丟轉(zhuǎn)事件，搶修發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)橐厚盥?lián)軸器渦輪軸轂孔與減速機(jī)齒輪軸配合松動(dòng)引發(fā)的平鍵剪切、鍵槽損壞故障。2016~2017年清箅機(jī)因該類故障發(fā)生檢修4起，其中月檢保養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)配合松動(dòng)故障3起，單側(cè)破碎輥丟轉(zhuǎn)故障搶修1起。

2.2 液耦聯(lián)軸器的連接方式和故障原因分析

2.2.1 液耦聯(lián)軸器的連接方式

液力耦合器是一種柔性的傳動(dòng)裝置，是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器，一般分為限矩型和調(diào)速型。本設(shè)備采用限矩型液力耦合器，液耦殼體內(nèi)由泵輪和渦輪組成1個(gè)可使液體循環(huán)流動(dòng)的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。破碎輥主電機(jī)通過(guò)梅花彈性塊帶動(dòng)液耦輸入軸（泵輪），破碎輥減速機(jī)高速軸軸頸插入到液耦輸出軸（渦輪）中心孔內(nèi)，減速機(jī)高速軸和液耦渦輪軸都設(shè)計(jì)有鍵槽，通過(guò)液耦渦輪軸中心孔的拉緊螺栓將液耦與減速機(jī)高速軸鎖緊（見(jiàn)圖1）。液耦聯(lián)軸器和減速機(jī)高速軸的連接按設(shè)計(jì)應(yīng)該屬于靜連接（過(guò)盈配合），是力鎖合連接和形鎖合連接的組合體，載荷應(yīng)當(dāng)全部由過(guò)盈配合面摩擦力傳遞，平鍵和拉緊螺栓只作為輔助連接，適合使用在振動(dòng)、沖擊、正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。

2.2.2 連接故障原因分析

圖1 液耦與減速機(jī)輸入軸連接

按照機(jī)械連接分類，靜連接（圓柱有鍵過(guò)盈配合）在連接中屬于可靠性較好的連接形式，但在保證連接強(qiáng)度以外還應(yīng)該注意避免其他的失效，如連接松脫現(xiàn)象的發(fā)生。該限矩型液力耦合器泵輪軸和渦輪軸與外殼體之間的軸封都采用骨架油封形式，骨架油封長(zhǎng)期使用后油封唇邊會(huì)磨損主軸，出現(xiàn)軸封漏油現(xiàn)象。保養(yǎng)中一旦發(fā)現(xiàn)骨架油封漏油則會(huì)考慮將液耦聯(lián)軸器拆下更換新骨架油封并采用改變骨架油封軸向位置的方法來(lái)避開(kāi)磨損的軸頸部位。由于該液耦聯(lián)軸器現(xiàn)場(chǎng)空間較狹窄，又無(wú)法采用液壓法來(lái)拆裝，所以現(xiàn)場(chǎng)拆裝不便，拆卸后時(shí)常發(fā)現(xiàn)軸頸配合表面有擦傷現(xiàn)象，修復(fù)回裝后削弱了連接的緊固性。

液耦聯(lián)軸器修復(fù)后回裝過(guò)程中如圓柱面過(guò)盈量過(guò)大，安裝非常困難。因?yàn)椴捎眠^(guò)盈連接時(shí)，如過(guò)盈量及配合尺寸較小，一般采用在常溫下直接壓入法裝配，當(dāng)過(guò)盈量及配合尺寸較大時(shí)，常用溫差法裝配。溫差法是加熱包容件、冷卻被包容件，由于包容件是液耦渦輪軸，如采用加熱液耦渦輪軸則會(huì)損傷渦輪軸的骨架油封，如采用冷卻被包容件（減速機(jī)輸入軸）現(xiàn)場(chǎng)不具備條件。所以為了便于液耦壓入法安裝，廠家將該過(guò)盈配合量設(shè)計(jì)的比較小。檢修過(guò)程中工人發(fā)現(xiàn)軸頸表面有擦傷、拉毛現(xiàn)象會(huì)對(duì)擦傷的表面進(jìn)行修整打光，這樣再次減小配合面過(guò)盈量，當(dāng)連接由靜連接變成動(dòng)連接后，載荷傳遞由圓柱面接觸變成線接觸。配合面在傳遞扭矩過(guò)程中接觸部位產(chǎn)生局部彈性變形，從而形成接觸面較小的面接觸，這樣零件接觸處產(chǎn)生很大局部應(yīng)力，而離開(kāi)接觸面稍遠(yuǎn)處接觸應(yīng)力急劇下降。由于接觸應(yīng)力多為變應(yīng)力，液耦聯(lián)軸器與減速機(jī)輸入軸接觸部位在接觸應(yīng)力的反復(fù)作業(yè)下，配合表面逐漸產(chǎn)生疲勞裂紋，慢慢擴(kuò)散后使金屬表層脫落，產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，最終出現(xiàn)液耦聯(lián)軸器配合松動(dòng)。

2.2.3 圓柱面過(guò)盈連接最小過(guò)盈量

實(shí)際檢修中通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，液耦主軸轂孔與減速機(jī)齒輪軸軸頸未發(fā)生磨損時(shí)配合尺寸通常在0~0.02mm之間，運(yùn)行過(guò)程中由于接觸應(yīng)力影響造成接合面金屬表層磨損脫落，拆解后配合間隙通常在0.50mm以上。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，圓柱面過(guò)盈連接傳遞載荷所需的最小過(guò)盈量計(jì)算公式如下：

最小計(jì)算過(guò)盈：

式中：d為液耦主軸內(nèi)孔與減速機(jī)輸入軸配合面直徑：φ48mm；d1為被包容件內(nèi)徑（輸入軸內(nèi)徑）：0mm；d2為包容件外徑（液耦主軸配合面處外徑）：φ130mm；v1、v2為材料的泊比松，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2卷（2007.6重?。┌?，表6.4—4中碳鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼取0.3~0.31；E1、E2為材料的彈性模量（MPa），查表6.4—4中碳鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼?。?.02~2.1）×105。

該二級(jí)變速斜齒圓柱齒輪減速機(jī)輸入軸（高速）斜齒齒數(shù)z=20，齒輪法向模數(shù)mn=3.5，端面模數(shù)mt=mn/cosβ，分度圓直徑d高=mt×z，法向壓力角αn=20°，螺旋角β=13o，與液耦主軸內(nèi)孔配合面軸頸d=Φ48mm，配合面軸頸長(zhǎng)度l=80mm。過(guò)盈連接配合面摩擦因數(shù)μ根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2卷（2007.6重印）版，表6.4—3中：材料為鋼—鋼，無(wú)潤(rùn)滑壓入法取0.07~0.16；有潤(rùn)滑壓入法取0.05~0.13；綜合考慮按μ=0.1代入上式。

破碎輥電機(jī)功率p=90kW，轉(zhuǎn)速n=1480r/min，根據(jù)液耦聯(lián)軸器的工作特點(diǎn)，一般液力偶合器正常工況的轉(zhuǎn)速比在0.95以上時(shí)可獲得較高的效率，所以減速機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)速暫按n=1406r/min取值。

③減速機(jī)端面模數(shù)mt=mn/cosβ=3.5/0.97437=3.592；

④輸入軸齒輪分度圓直徑d高=mt×z=3.592×20=71.84mm；

⑤斜齒圓柱齒輪轉(zhuǎn)矩T=9549×p/n=9549×90/1406=611.24N·m；

⑥斜齒圓柱齒輪產(chǎn)生的圓周力Ft=2000T/d高

=2000×611.24/71.84=17016.7N；

⑦斜齒圓柱齒輪產(chǎn)生的軸向力Fa=Ft×tanβ=17016.7×0.231=3930.86N；

⑧將⑤和⑦代入②得到：

⑨將⑧代人①：

⑩采用壓入法裝配，配合面最小過(guò)盈量：

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的公式計(jì)算，該液耦聯(lián)軸器圓柱過(guò)盈連接最小過(guò)盈量至少需0.016mm，而實(shí)際拆解后未磨損的情況下，配合間隙通常在0～0.02mm之間，基本處于過(guò)渡配合與間隙配合狀態(tài)。

減速機(jī)齒輪軸和液耦主軸的材料一般優(yōu)于鍵的材料，減速機(jī)齒輪軸通常采用42CrMo，液耦等設(shè)備的主軸通常采用45#鋼、20Cr、40Cr，齒輪軸和液耦主軸通常采取調(diào)質(zhì)處理來(lái)提升軸類的綜合力學(xué)性能。鍵一般常用45#鋼，對(duì)于輪轂系非鐵金屬或非金屬材料，鍵可用20#、Q235-A鋼。當(dāng)液耦聯(lián)軸器與減速機(jī)輸入軸配合松動(dòng)后，扭矩僅依靠平鍵和鍵槽側(cè)面?zhèn)鬟f，在長(zhǎng)期振動(dòng)、沖擊力的作用下，三者中材料強(qiáng)度最弱的平鍵最先出現(xiàn)剪切現(xiàn)象，逐漸影響鍵槽使鍵槽側(cè)面受到損傷，最終出現(xiàn)清箅機(jī)破碎輥丟轉(zhuǎn)故障。

3 破碎輥減速機(jī)與液耦連接形式改造

3.1 設(shè)計(jì)連接時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題

首先，為使連接可靠，這些接合面應(yīng)有足夠大的尺寸和合理的形狀，它們的接合面必須緊密貼合，因此兩零件的接合面形狀應(yīng)簡(jiǎn)單才容易得到高精度和緊密的配合，保證足夠的強(qiáng)度。最常見(jiàn)的接合面是平面、圓柱面和圓錐面。其次，連接形式要確保加工、裝配、拆卸和修理方便，同時(shí)在保證連接強(qiáng)度以外還應(yīng)該注意避免其它失效，如防止螺紋連接松脫、不同金屬連接腐蝕。必要時(shí)把幾種連接方式結(jié)合使用，達(dá)到更好的效果，如過(guò)盈配合與鍵同時(shí)采用。

根據(jù)液耦聯(lián)軸器連接特點(diǎn)和上述要求，原先采用的圓柱過(guò)盈連接由于拆卸、裝配不便無(wú)法保證足夠的過(guò)盈量和強(qiáng)度，所以選擇脹套連接（屬于圓錐過(guò)盈連接）。

3.2 脹套連接的特點(diǎn)和應(yīng)用

脹套連接是將軸和轂孔之間裝入一對(duì)或數(shù)對(duì)以內(nèi)、外錐面貼合的帳套，在軸向力的作用下，內(nèi)套縮小，外套脹大，形成過(guò)盈配合，靠摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力，對(duì)被連接件沒(méi)有鍵槽削弱，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，脹套在脹緊后無(wú)正反轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差。具有定心精度好，制造和安裝簡(jiǎn)單，脹套安裝無(wú)需加熱、冷卻或加壓設(shè)備，只需將脹套端面均布的螺釘按規(guī)定的力矩?cái)Q緊即可，可以將輪轂在軸上很方便地調(diào)整到所需的位置。有良好的互換性，拆卸和安裝方便。

根據(jù)脹套的特點(diǎn)，考慮到齒輪軸和液耦轂孔的結(jié)構(gòu)，將液耦轂孔由原先的圓柱孔加工成1：25的圓錐孔，根據(jù)齒輪軸外徑和液耦轂孔錐度設(shè)計(jì)加工一個(gè)外錐面中間套，材料為45#鋼，中間套內(nèi)孔加工成與齒輪軸頸相配合的圓柱孔，中間套外徑加工成與液耦轂孔相配合的圓錐面（錐度1：25），中間套單側(cè)沿軸線方向開(kāi)一條寬度3mm的收縮縫，液耦轂孔端面加工4個(gè)中間套緊固螺栓孔和2個(gè)拆卸用頂絲孔（見(jiàn)圖2）。液耦帶錐度的轂孔和中間套外圓錐面形成一對(duì)相互配合的脹套，安裝時(shí)將中間套裝在齒輪軸合適位置，再將液耦整體推向中間套，液耦主軸轂孔內(nèi)錐面與中間套外錐面貼合后通過(guò)中間套端面4顆緊固螺栓與液耦轂孔端面的螺栓孔相連、壓緊，中間套外錐面在液耦轂孔內(nèi)錐面的作用下，使中間套收縮縫收縮，內(nèi)圓柱孔孔徑縮小，最終實(shí)現(xiàn)更大的徑向壓力和過(guò)盈量，達(dá)到傳遞更大的載荷目的。

3.3 脹套連接承載能力校核

圖2 脹套結(jié)構(gòu)

雖然現(xiàn)在各種脹套已標(biāo)準(zhǔn)化，選用時(shí)只需根據(jù)妥為設(shè)計(jì)的軸頸和輪轂尺寸以及傳遞載荷的大小，按標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的型號(hào)和尺寸，就可校核其承載能力，但清箅機(jī)液偶聯(lián)軸器由于根據(jù)圓柱面過(guò)盈連接形式進(jìn)行改造，其結(jié)構(gòu)形式和標(biāo)準(zhǔn)化脹套和圓錐過(guò)盈連接仍有所區(qū)別。圓錐過(guò)盈連接中間套不設(shè)計(jì)收縮縫，端面無(wú)壓緊螺釘，采用液壓法和軸端螺母壓緊的過(guò)盈安裝方式。Z2型式標(biāo)準(zhǔn)化脹套是由1個(gè)開(kāi)口的雙錐內(nèi)環(huán)、1個(gè)開(kāi)口的雙錐外環(huán)和2個(gè)雙錐壓緊環(huán)組成，錐套與軸的接觸面較短，脹套端面用壓緊螺釘壓緊，在壓緊力的作用下開(kāi)口的錐環(huán)收縮產(chǎn)生更大的徑向壓緊力。Z3型標(biāo)準(zhǔn)脹套內(nèi)外錐環(huán)用壓緊螺釘壓緊，在一個(gè)錐環(huán)上備有拆卸用頂絲孔，錐套和軸的接觸面較長(zhǎng)，錐套是一個(gè)整體，無(wú)軸向收縮縫。Z2型和Z3型脹緊連接套的基本尺寸和參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 脹緊連接套基本尺寸和參數(shù)

清箅機(jī)液耦聯(lián)軸器改造的脹套連接，按載荷校核脹套的承載能力，應(yīng)滿足：

式中：T為傳遞的扭矩，N·mm；Tt1個(gè)帳套連接套的額定轉(zhuǎn)矩，N·mm；Fa為傳遞的軸向力，N；P為脹套與軸接合面上的壓力，MPa；dm為帳套結(jié)合面平均圓錐直徑，mm。

根據(jù)2.2.3.5圓柱面過(guò)盈連接最小過(guò)盈量中計(jì)算所得：

③傳遞聯(lián)合作用的轉(zhuǎn)矩和軸向力

接合面最小圓錐直徑：Φ70

接合面最大圓錐直徑：Φ83

從脹套連接承載能力核算與Z2型、Z3型脹緊連接套的基本尺寸和參數(shù)表對(duì)比，無(wú)論是按脹套內(nèi)徑還是脹套結(jié)合面平均圓錐直徑值比較，傳遞的扭矩、軸向力及聯(lián)合作用力都小于額定載荷，該脹套連接都符合使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)清箅機(jī)破碎輥液耦聯(lián)軸器連接形式進(jìn)行改造，極大提高液耦聯(lián)軸器的工作穩(wěn)定性，避免再次出現(xiàn)液耦聯(lián)軸器晃動(dòng)和丟轉(zhuǎn)的事件發(fā)生，同時(shí)減速機(jī)齒輪軸、液耦主軸和鍵的運(yùn)行壽命也得到有效保障。采用脹套連接后，液耦聯(lián)軸器的拆卸和安裝變得極為簡(jiǎn)便，檢修效率也得到極大提高，在日后清箅機(jī)月檢保養(yǎng)中未發(fā)生一起液耦聯(lián)軸器連接松動(dòng)的故障。