BHDDF350型聯(lián)軸器失效分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

李 超，王小虎

(神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

聯(lián)軸器是連接兩根軸或者軸與回轉(zhuǎn)部件，在旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)傳遞扭矩且具備一定緩沖和減振的保護(hù)作用，而又不改變初始旋轉(zhuǎn)方向和扭矩大小的一種機(jī)械裝置。聯(lián)軸器的種類眾多，其中彈性聯(lián)軸器是礦山機(jī)械領(lǐng)域較常見的一類，其學(xué)名叫做“非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器”[1]，它常被用在中、高轉(zhuǎn)速且存在一定載荷沖擊的場(chǎng)合來傳遞扭矩。

BHDDF350型聯(lián)軸器就屬彈性聯(lián)軸器，是在用某型1 000 kW變頻三機(jī)驅(qū)動(dòng)部減速機(jī)與電機(jī)之間的傳動(dòng)部件。該型聯(lián)軸器較易損壞，某公司范圍內(nèi)僅在2016—2018年間，其損壞數(shù)量就達(dá)12套之多，總價(jià)值達(dá)160余萬元。同時(shí)，井下因更換聯(lián)軸器所造成的設(shè)備停機(jī)損失耗費(fèi)了巨大的人力和物力。鑒于此，對(duì)該型聯(lián)軸器的失效進(jìn)行了分析，同時(shí)也提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，以供業(yè)內(nèi)參考。

1 聯(lián)軸器失效分析

1.1 BHDDF350型聯(lián)軸器介紹

BHDDF350型聯(lián)軸器安裝位置：BHDDF 350型聯(lián)軸器位于電機(jī)與減速機(jī)之間的中間箱內(nèi)，限矩器安裝在減速器輸入軸上，該型聯(lián)軸器安裝在電機(jī)輸出軸上，二者通過螺栓連接，如圖1所示。

1-減速機(jī)；2-限矩器；3-中間箱；4-BHDDF350型聯(lián)軸器；5-電機(jī)

BHDDF350型聯(lián)軸器組成：該型聯(lián)軸器主要由5部分構(gòu)成，如圖2所示，其顯著特點(diǎn)是彈性塊中心軸線處在同平面內(nèi)沿徑向均勻分布。彈性塊是橡膠類材質(zhì)，另有一個(gè)尼龍卡箍(圖中未標(biāo)出)安裝在左右爪盤重疊部位，用來防止彈性塊在高速旋轉(zhuǎn)過程中受慣性力牽引而飛出。

1-電機(jī)聯(lián)軸盤；2-左爪盤；3-彈性塊；4-右爪盤；5-限矩器連接盤

1.2 運(yùn)行工況

BHDDF350型聯(lián)軸器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是某型1 000 kW變頻電機(jī)，該電機(jī)額定輸出扭矩為6.53 kN·m[2]；電機(jī)軸伸側(cè)使用圓柱滾子軸承，盲端使用球軸承，由此可見電機(jī)在正常工作期間，其轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)及溫升伸長(zhǎng)余量會(huì)出現(xiàn)在其軸伸側(cè)，這個(gè)由“伸長(zhǎng)余量”產(chǎn)生的軸向力將最終作用在聯(lián)軸器上。刮板輸送機(jī)所承受的實(shí)時(shí)負(fù)載由采煤機(jī)瞬時(shí)割煤量決定，同時(shí)受片幫落煤、大塊煤的影響，其負(fù)載是呈非周期性變化的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩也會(huì)相應(yīng)地變化，因此聯(lián)軸器最終承受的是一個(gè)不規(guī)則的脈動(dòng)沖擊力。綜上可知，該型聯(lián)軸器工作時(shí)既要傳遞不規(guī)則的脈動(dòng)沖擊扭矩，也要承受一定的軸向力。

1.3 主要失效形式

BHDDF350型聯(lián)軸器最常見的損壞形式就是“打齒”，如圖3所示。這種損壞形式的主要特點(diǎn)是左右兩個(gè)爪盤同時(shí)出現(xiàn)“打齒”現(xiàn)象，且打齒的方向也都在同一側(cè)。

圖3 聯(lián)軸器“打齒”損壞

1.4 “打齒”原因及分析

“打齒”原因：①從圖3可以看出，“打齒”現(xiàn)象的發(fā)生是由于左右爪盤的卡爪直接嚙合接觸造成的。該型聯(lián)軸器完好狀態(tài)時(shí)，左右爪盤是由12件圓柱形橡膠彈性塊均勻間隔開的，不會(huì)出現(xiàn)爪盤直接接觸的現(xiàn)象，因此，造成圖3所示結(jié)果的直接原因就是12件彈性塊同時(shí)失效且即將失效的彈性塊未被井下作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)并及時(shí)更換。彈性塊失效后，左右爪盤接觸，然后“打齒”現(xiàn)象發(fā)生，最后聯(lián)軸器整體失效；②彈性塊失效造成聯(lián)軸器整體損壞的案例在其它機(jī)型的三機(jī)上并不常見。通常，彈性塊不是較易損配件，其它機(jī)型三機(jī)聯(lián)軸器的彈性塊更換周期較長(zhǎng)，一般是每次設(shè)備升井維修時(shí)視情況予以更換。如果不是同期發(fā)生大批量同種形式破壞，我們不應(yīng)懷疑彈性塊材料存有質(zhì)量問題[3]。

力學(xué)分析：由于該型聯(lián)軸器承受著不規(guī)則扭矩T和一定的軸向力F0，而彈性塊是連接該型聯(lián)軸器左右爪盤的唯一介質(zhì)，因此彈性塊是T和F0的最終作用對(duì)象。如圖4所示，F(xiàn)為彈性塊所承受的圓周切線方向的擠壓力，彈性塊是沿徑向分布，電機(jī)輸出扭矩一定時(shí)，受力臂變大小影響，各彈性塊所承受的擠壓力F沿徑向由內(nèi)到外逐步減小，對(duì)彈性塊的失效分析只考慮其最大值[4]。

F=9.55P/n/K·L=T/(K·L)

(1)

式中：T—電機(jī)的額定輸出扭矩為6.53 kN·m；L—彈性塊底平面到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，即力臂為102 mm；K—彈性塊的總數(shù)量，該型聯(lián)軸器為12。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=5.33 kN，折算后，該型聯(lián)軸器單個(gè)彈性塊承受的圓周方向擠壓力約0.54 t；同時(shí)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量對(duì)聯(lián)軸器彈性塊造成的軸向擠壓力，單個(gè)彈性塊同時(shí)承受著F和F0的合力，因此，單個(gè)彈性塊總受力將遠(yuǎn)不止0.54 t。

圖4 彈性塊受力分析示意圖

綜上，可認(rèn)為是單個(gè)彈性塊承受的巨大壓力導(dǎo)致其底部首先失效，繼而沿徑向自內(nèi)而外失效，最終彈性塊整體報(bào)廢，使得聯(lián)軸器左右爪盤直接接觸。

2 聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)要求及思路

設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)首先要確保其能夠可靠地傳遞如扭矩、軸向力、徑向力等負(fù)荷，其次是應(yīng)考慮被連接兩軸在不共軸時(shí)也能夠可靠工作，三是保證所有零件均能可靠地定中心和周向定位，具有良好的平衡性，并且拆裝方便[5]。因此，對(duì)一個(gè)聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計(jì)必須要考慮能否滿足承載能力、能否滿足安裝工藝要求、是否具備高可靠性以及改進(jìn)后性價(jià)比如何[6]。

設(shè)計(jì)思路：此次改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何延長(zhǎng)彈性塊的使用壽命。在不改變聯(lián)軸器整體最大外徑的前提下，通過改變彈性塊的空間布局方式，將徑向空間布局改變?yōu)槠叫休S線空間布局，以減少彈性塊所承受的壓力，最終達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的目的。

2.2 聯(lián)軸器改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器由5部分組成，如圖5所示，由左至右依次是電機(jī)聯(lián)軸盤、左卡爪、彈性塊、右卡爪、限矩器連接盤。其中電機(jī)聯(lián)軸盤、彈性塊、限矩器連接盤均與BHDDF350型聯(lián)軸器具備良好的互換性。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器與BHDDF350型聯(lián)軸器彈性塊總數(shù)保持一致，承載能力不變，最大徑向尺寸(即爪盤外徑)不變，且軸向安裝距離(即電機(jī)聯(lián)軸盤左端面到限矩器連接盤右端面之間的裝配距離)不變。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器左爪盤為彈性塊預(yù)留了特定大小與特定深度的安裝沉槽，聯(lián)軸器組對(duì)時(shí)彈性塊可先插裝到左爪盤，且不掉落，再與右爪盤組對(duì)，方便快速。

1-電機(jī)聯(lián)軸盤；2-左爪盤；3-彈性塊；4-右爪盤；5-限矩器連接盤

2.3 平行軸線布局彈性塊受力分析

如圖6所示，F(xiàn)′為彈性塊所承受的圓周切線方向的擠壓力，彈性塊沿軸線方向分布，電機(jī)輸出扭矩一定時(shí)，彈性塊沿軸線方向受力F′大小一致。將彈性塊自身軸線與聯(lián)軸器中心軸線的距離，即力臂L′=148 mm代入式(1)，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)′=6.53/(0.148×12)=3.68 kN。經(jīng)計(jì)算，單個(gè)彈性塊承受的圓周方向擠壓力約0.37 t；改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器留有軸向自由度，彈性塊不會(huì)再因電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向伸長(zhǎng)余量而承受額外的軸向力，即此時(shí)的F0為0。因此，改進(jìn)后的聯(lián)軸器單個(gè)彈性塊承受合力就是F′，較改進(jìn)設(shè)計(jì)之前降低30%以上。

圖6 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的彈性塊受力

2.4 聯(lián)軸器改進(jìn)前后對(duì)比

性能對(duì)比：改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器兼顧了與BHDDF350型聯(lián)軸器分部件的互換性，保證了承載能力及關(guān)鍵外形尺寸不變和核心安裝尺寸的一致，其彈性塊采用軸向布局，單個(gè)彈性塊約減少承受0.17 t擠壓力，最大受力降低30%以上，將大大延長(zhǎng)彈性塊的使用壽命，有效防止聯(lián)軸器整體失效事件的發(fā)生。

成本對(duì)比：改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器預(yù)設(shè)沉槽使得安裝方便，相較BHDDF350型聯(lián)軸器無需使用尼龍卡箍，可減少使用過程中的配件費(fèi)用支出。同時(shí)，軸向結(jié)構(gòu)比徑向結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，所需加工制作成本也相對(duì)較少。

3 結(jié)論

(1)BHDDF350型聯(lián)軸器的失效具體原因是徑向分布的彈性塊同時(shí)承受著軸向壓力和圓周方向擠壓力，加速了彈性塊整體失效的進(jìn)程，繼而引發(fā)“打齒”現(xiàn)象，聯(lián)軸器的整體失效就此發(fā)生。

(2)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的聯(lián)軸器，彈性塊受力均勻，且最大受力降比30%以上，可有效延長(zhǎng)聯(lián)軸器的整體使用壽命，減少井下因頻繁更換聯(lián)軸器而產(chǎn)生的附加工作量。