彈性聯(lián)軸器失效原因分析及管理策略

韓傳偉 付云飛 關(guān)銀柏

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-1430

摘? 要：彈性聯(lián)軸器是一種有效傳遞扭矩的驅(qū)動(dòng)形式，在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。在使用過程中，設(shè)計(jì)、選型與維護(hù)不當(dāng)將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障。本文對一款采用芯型橡膠緩沖塊的彈性聯(lián)軸器進(jìn)行失效原因分析，開展宏觀形貌、傅里葉紅外光譜、體視顯微鏡、力學(xué)性能等檢查，并對聯(lián)軸器選型進(jìn)行計(jì)算校核。最終，針對這類彈性聯(lián)軸器給出了相應(yīng)管理策略，有效提高了設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞：彈性聯(lián)軸器? 老化? 對中? 振動(dòng)

中圖分類號：TL38? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0048-04

Failure Reason Analysis and Management Strategy of Flexible Shaft Coupling

HAN Chuanwei? ?FU Yunfei? ?GUAN Yinbo

（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）

Abstract： Flexible shaft coupling is an effective driving form of torque transmission， which is widely used in rotating equipment. During application， improper design， type selection and maintenance will lead to serious equipment failure. This paper analyzes the failure reason of a flexible coupling with rubber core element， the macroscopic morphology， fourier infrared spectroscopy， stereo microscope， mechanical properties and other inspections are carried out， and checks the type selection of coupling. For this kind of flexible shaft coupling， the management strategy is given， which effectively improves the reliability of the equipment.

Key Words： Flexible shaft coupling; Aging; Alignment; Vibration

旋轉(zhuǎn)設(shè)備通常采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)和被驅(qū)動(dòng)部件，而避免使用同一個(gè)軸，聯(lián)軸器起到了驅(qū)動(dòng)部件與被驅(qū)動(dòng)部件機(jī)械連接與力矩傳輸?shù)淖饔肹1]。聯(lián)軸器一般可分為剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器，其中彈性聯(lián)軸器因可補(bǔ)償一定的偏心，起到減振及緩沖作用，在多種旋轉(zhuǎn)設(shè)備中得到應(yīng)用[2-3]。

在現(xiàn)場使用過程中，彈性聯(lián)軸器將不可避免發(fā)生故障與失效，嚴(yán)重影響了設(shè)備的可用性。因此，有必要對失效的原因進(jìn)行深入分析，并制定行之有效的預(yù)防性管理策略。

1? 背景信息

1.1 失效信息

現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子冷卻水離心水泵振動(dòng)較高，已超出技術(shù)規(guī)程。維護(hù)人員立即執(zhí)行停泵解體維修操作。拆開泵聯(lián)軸器，發(fā)現(xiàn)其中緩沖塊老化開裂變形且磨出大量黑色粉末，如圖1所示。

如聯(lián)軸器緩沖塊完全碎裂，不僅泵組將停運(yùn)，還將導(dǎo)致金屬齒爪之間出現(xiàn)剛性撞擊，從而進(jìn)一步造成潛在損害[4-5]。

1.2 基本信息

該離心水泵采用的彈性塊聯(lián)軸器為芯型，設(shè)計(jì)見圖2。驅(qū)動(dòng)端與被驅(qū)動(dòng)端采用金屬爪，中間采用橡膠塊進(jìn)行緩沖。損壞的橡膠緩沖塊材質(zhì)為丁腈橡膠，現(xiàn)場使用時(shí)間已超過5年。廠家產(chǎn)品手冊中給出了該款聯(lián)軸器額定扭矩300N·m，并提示當(dāng)泵組存在振動(dòng)時(shí)，該聯(lián)軸器可接受扭矩降為220N·m。

現(xiàn)場解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸之間的同軸度最大偏差為0.225mm，平行度最大偏差為0.345mm，相比同軸度和平行度可接受準(zhǔn)則，聯(lián)軸器對中已超標(biāo)[6-7]。

2? 失效原因分析

2.1 試樣制備

為了便于試驗(yàn)分析與結(jié)果比對，對聯(lián)軸器橡膠緩沖塊樣品進(jìn)行編號，其中新樣品（備件）標(biāo)記為樣品N，失效樣品標(biāo)記為樣品O，并對橡膠塊按照順時(shí)針進(jìn)行逐一編號，即1#至12#，如圖3所示。

對樣品進(jìn)行宏觀檢查、紅外光譜檢查及硬度檢查，由于制樣難度較大，未開展力學(xué)性能測試。

2.2 宏觀檢查

采用VHX-1000E體視顯微鏡對舊樣品1#（受力點(diǎn)）、2#（非受力點(diǎn)）及新樣品1#橡膠塊進(jìn)行微觀檢查，結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出，失效件樣品O中受力橡膠塊正面形貌明顯顯示橡膠塊開裂，并且受擠壓發(fā)生形變，表面粗糙，形變呈現(xiàn)一定程度的相反方向擠壓;非受力橡膠塊雖不如受力橡膠塊開裂受擠壓明顯，但也有部分的擠壓開裂;而未使用過的新橡膠塊樣品N，表面平整、均勻、光滑。

2.3 紅外光譜分析

對O樣品與N樣品分別使用傅里葉紅外光譜分析進(jìn)行材質(zhì)鑒定，結(jié)果見圖5。傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《橡膠鑒定 紅外光譜法》（GB/T 7764-2001）。

由譜圖（a）與（b）可知，2235.18cm-1為-CN的伸縮振動(dòng)峰;1646.18cm-1為CH2=CH-的伸縮振動(dòng)峰;1434.87cm-1處出現(xiàn)-CH2-的特征峰在964.71cm-1出現(xiàn)-CH=CH-的伸縮振動(dòng)峰。經(jīng)分析，該材料為丁腈橡膠。對比新舊樣品圖譜，使用過的橡膠緩沖塊在2918.01cm-1及2849.19-1cm處出現(xiàn)甲基-CH3伸縮振動(dòng)峰，及1434.87cm-1處的亞甲基-CH2-伸縮振動(dòng)峰均有明顯減弱，經(jīng)分析是橡膠主鏈及側(cè)鏈發(fā)生老化裂解所致[8]。

2.4 硬度測試

使用Digi test II多功能邵氏硬度計(jì)對新舊樣品的硬度值進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)廠家資料，彈性緩沖塊的標(biāo)準(zhǔn)硬度為78 Shore A，而檢測結(jié)果顯示新樣品的邵氏硬度明顯小于舊樣品的邵氏硬度，現(xiàn)場彈性緩沖塊已發(fā)生老化及擠壓導(dǎo)致材質(zhì)硬化。

3? 選型校核

對聯(lián)軸器緩沖塊的扭矩進(jìn)行核算，參照標(biāo)準(zhǔn)為《機(jī)械式聯(lián)軸器選用計(jì)算》（JB/T 7511-1994）適用范圍，其計(jì)算扭矩Tc為：

（1）

式（1）中：KW為動(dòng)力機(jī)系數(shù)，選取“電動(dòng)機(jī)、透平”I型，即取值1.0;K為工況系數(shù)，選取“離心泵”1類，即取值1.00;KZ為起動(dòng)系數(shù)，主動(dòng)端起動(dòng)頻率≤120次/h，即取值1.0;Kt為溫度系數(shù)，環(huán)境溫度約30～60℃，采用丁腈橡膠，即取值1.0;T為理論轉(zhuǎn)矩，T=9550，PW為驅(qū)動(dòng)功率（kW），取值為90kW，n為工作轉(zhuǎn)速（r/min），取值為2978r/min，得出理論轉(zhuǎn)矩為289N·m。

根據(jù)式（1），得到彈性聯(lián)軸器的計(jì)算扭矩Tc為289N·m，選型雖然滿足要求的額定扭矩TKN，即300 N·m，但裕度較為有限，且泵組在振動(dòng)時(shí)，計(jì)算扭矩已經(jīng)超過規(guī)定的220 N·m。

4? 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場檢查、試驗(yàn)分析及選型校核，得出如下結(jié)論。

（1）對中偏差大是聯(lián)軸器緩沖塊失效的主要原因，通過體視顯微鏡檢查可以發(fā)現(xiàn)，緩沖橡膠塊上存在相反方向的壓痕，且中間存在一小段平坦區(qū)，說明軸向?qū)χ写嬖谄睢?/p>

（2）泵組振動(dòng)是聯(lián)軸器緩沖塊失效的次要原因，現(xiàn)場檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)泵體存在振動(dòng)。參考彈性塊聯(lián)軸器技術(shù)規(guī)范中對振動(dòng)的要求，可以看出聯(lián)軸器額定扭矩盡管滿足實(shí)際扭矩，但已超過振動(dòng)環(huán)境下的規(guī)定值。

（3）材料老化是聯(lián)軸器緩沖塊失效的一個(gè)輔助原因，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，丁腈橡膠發(fā)生了一定程度的老化?，F(xiàn)場長期使用未進(jìn)行定期更換。

4.2 建議

根據(jù)以上分析結(jié)論，運(yùn)維單位應(yīng)針對性的建立彈性聯(lián)軸器管理策略，建議主要包括如下。

（1）加強(qiáng)聯(lián)軸器對中精度控制。應(yīng)嚴(yán)格按照廠家產(chǎn)品手冊要求對聯(lián)軸器進(jìn)行對中，包括軸向偏差、徑向偏差及角偏差，應(yīng)對聯(lián)軸器上螺栓進(jìn)行適當(dāng)緊固，保證其符合要求的力矩[9-10]。

（2）降低泵組的振動(dòng)水平。對泵組振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，定期對泵組振動(dòng)進(jìn)行測量，避免實(shí)際扭矩超過彈性體聯(lián)軸器振動(dòng)環(huán)境下允許的最大扭矩。

（3）改進(jìn)聯(lián)軸器緩沖塊選型。聯(lián)軸器的膠塊容易磨損，對對中變化及膠塊減薄比較敏感，丁腈橡膠材質(zhì)耐油性、耐磨性、動(dòng)力學(xué)性能都較好，但耐候性與耐臭氧老化能力一般，現(xiàn)場失效聯(lián)軸器彈性塊已使用接近壽期末，從試驗(yàn)結(jié)果看，性能已有所下降，可考慮選用綜合性能更好的聚氨酯材質(zhì)緩沖塊。對緩沖塊須根據(jù)其老化評估壽命制定定期更換策略，當(dāng)解體檢查中發(fā)現(xiàn)橡膠塊厚度磨損超過原始厚度25%時(shí)，也須立即進(jìn)行更換。

（4）優(yōu)化泵組切換周期。現(xiàn)場設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證泵的數(shù)量具有一定的冗余度，泵組長期運(yùn)行一段時(shí)間后切換至備用泵，可一定程度上提高緩沖塊的使用壽命。

通過以上管理策略的實(shí)施，將有效減少旋轉(zhuǎn)設(shè)備的失效，提高設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

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