彈簧銷聯(lián)軸器的失效分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

潘 元，萬世華，張富存

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油621703)

1 引言

彈簧銷聯(lián)軸器是一種金屬彈性元件聯(lián)軸器，具有減振、緩沖和補(bǔ)償量大等特點(diǎn)。與非金屬彈性元件聯(lián)軸器相比，它具有承載能力大、使用壽命長、外形尺寸小、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高、材料利用率低的缺點(diǎn)，并且在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了彈簧銷散落、柱銷斷裂、銷孔壓潰等失效缺陷，嚴(yán)重影響了彈簧銷聯(lián)軸器的推廣應(yīng)用［1，2］。 本文通過對(duì)彈簧銷聯(lián)軸器失效機(jī)理進(jìn)行分析，從簡化聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)、降低加工成本和安裝難度、提高運(yùn)行可靠性方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)及工作特性

2.1 彈簧銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為彈簧銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖，其主要由半聯(lián)軸器、輻板、柱銷、彈簧銷、蓋板和外筒組成。其中，彈簧銷是聯(lián)軸器的彈性元件，由直線彈簧、杯套、連桿、定距套和襯套組成。彈簧銷的一端與從動(dòng)端半聯(lián)軸器直接聯(lián)接，另一端通過輻板、柱銷與從動(dòng)端半聯(lián)軸器聯(lián)接。原設(shè)計(jì)想通過此種方式來改善彈簧銷的受力形式、提高承載能力，但結(jié)構(gòu)中柱銷占據(jù)了彈簧銷的位置，致使彈簧銷數(shù)量減少，反而降低了承載能力。多個(gè)柱銷聯(lián)接輻板與從動(dòng)半聯(lián)軸器產(chǎn)生過定位，導(dǎo)致加工精度提高、難度加大，彈簧銷受力不均。同時(shí)，又存在由輻板、柱銷、外筒、從動(dòng)端半聯(lián)軸器組成的框架結(jié)構(gòu)，造成聯(lián)軸器零件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖1 彈簧銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Spring pin coupling structure

2.2 工作原理

聯(lián)軸器的主動(dòng)半聯(lián)軸器通過彈簧銷與框架結(jié)構(gòu)聯(lián)接從動(dòng)半聯(lián)軸器來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。聯(lián)軸器可根據(jù)使用情況通過計(jì)算調(diào)整直線彈簧的數(shù)量、長度和直徑，起到補(bǔ)償主、從動(dòng)軸的角向、徑向及綜合偏差，吸收振動(dòng)并緩沖起動(dòng)沖擊和變負(fù)荷沖擊的作用。

3 失效分析

3.1 損壞情況

用于綿陽熱電廠磨煤機(jī)上的THX-8型聯(lián)軸器和用于安縣水泥廠水泥磨機(jī)上的THXC-10型聯(lián)軸器在使用過程中均出現(xiàn)過柱銷斷裂、中間部分磨損嚴(yán)重，彈簧銷中的彈簧鋼絲中間部分磨損、彈簧銷散落，主、從動(dòng)半聯(lián)軸器上彈簧銷孔磨損嚴(yán)重，主動(dòng)端半聯(lián)軸器上的柱銷孔已磨成橢圓形并伴隨有表面壓潰等現(xiàn)象，如圖2所示。

3.2 失效分析

根椐彈簧銷聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和工作原理，本文對(duì)上述失效情況進(jìn)行了分析，認(rèn)為造成彈簧銷聯(lián)軸器失效的主要原因有：

(1)銷孔失效

由于設(shè)備的主、從動(dòng)軸不對(duì)中及彈簧銷與半聯(lián)軸器的銷孔之間采用間隙配合，導(dǎo)致孔中心與彈簧銷中心不一致，如圖3所示，O為聯(lián)軸器的中心，O1為孔的中心，O2為彈簧銷的中心。彈簧銷以孔中心O1為圓心作平移運(yùn)動(dòng)，其頻率為聯(lián)軸器的旋轉(zhuǎn)頻率，長期運(yùn)行產(chǎn)生微動(dòng)磨損，使得銷孔之間的間隙變大，對(duì)中精度變低，相對(duì)速度變大，磨損越來越厲害，從而導(dǎo)致聯(lián)軸器銷孔因過度磨損而失效。

(2)彈簧銷、柱銷失效

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，過多地強(qiáng)調(diào)了聯(lián)軸器對(duì)設(shè)備的保護(hù)功能、對(duì)不對(duì)中的補(bǔ)償能力和緩解沖擊的作用。正常工作時(shí)彈簧銷的撓度為1.0 mm左右，當(dāng)在帶載起動(dòng)和運(yùn)行過程中有沖擊時(shí)，由于其剛度不足使得彈簧銷產(chǎn)生較大變形。因柱銷與主動(dòng)端半聯(lián)軸器上的柱銷過孔間直徑差為3.0 mm，當(dāng)彈簧銷撓度過大超過1.5 mm后，引起柱銷與過孔表面接觸，導(dǎo)致主要負(fù)荷集中在柱銷上，且由于接觸應(yīng)力過大致使柱銷迅速磨損。當(dāng)磨損達(dá)到一定程度后，柱銷因無法承受過大應(yīng)力而斷裂。柱銷失效后，全部負(fù)荷集中作用在彈簧銷上，使得其撓度迅速加大，同時(shí)又由于彈簧銷內(nèi)鋼絲無序排列，在杯套內(nèi)表面與鋼絲間產(chǎn)生間隙，造成銷孔、彈簧鋼絲磨損及彈簧銷中的連桿與杯套脫開，最終導(dǎo)致彈簧銷散架。

(3)銷孔表面壓潰

原設(shè)計(jì)希望通過減小杯套長度來增大補(bǔ)償不對(duì)中的能力，但卻造成了銷孔表面接觸應(yīng)力過大，從而使銷孔表面產(chǎn)生壓潰。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)加工過程中和實(shí)際使用中出現(xiàn)的問題，本文對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 改進(jìn)后的聯(lián)軸器Fig.4 Improved design of the coupling

4.1 改進(jìn)措施

(1)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

①取消輻板、柱銷，增加彈簧銷數(shù)量；

②簡化彈簧銷結(jié)構(gòu)，改變其焊縫結(jié)構(gòu)，增加焊接強(qiáng)度；

③增大彈簧銷與孔的接觸面積，降低接觸應(yīng)力。

改進(jìn)后的彈簧銷受力形式為懸臂梁，可減小彈簧銷長度，減少配合面數(shù)量，從而簡化了結(jié)構(gòu)。

(2)針對(duì)失效進(jìn)行的改進(jìn)

①對(duì)聯(lián)接半聯(lián)軸器與彈簧銷的法蘭孔進(jìn)行鑲套，提高其表面硬度，增強(qiáng)耐磨性能；

②在彈簧銷兩端留儲(chǔ)油空間，并對(duì)彈簧銷進(jìn)行浸油處理，用以改善潤滑條件，減少微動(dòng)磨損；

③加大彈簧銷鋼絲直徑，減小鋼絲作用長度，從而增加其剛度，提高承載能力；

④對(duì)杯套內(nèi)孔及鋼絲的直徑進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)鋼絲的排列進(jìn)行模擬，使鋼絲與杯套間產(chǎn)生過盈配合，消除間隙并減少磨損。

4.2 靜態(tài)試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)前后額定扭矩(6 100 N·m)相同的兩個(gè)THXC-10型聯(lián)軸器進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見圖5及表1。

圖5 扭矩-相對(duì)位移關(guān)系曲線Fig.5 Relative displacement vs.torque

表1 扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比Table 1 Comparison of torsional stiffness

從圖5和表1的對(duì)比中可看出，80%～100%額定載荷的平均扭轉(zhuǎn)剛度和100%～150%額定載荷的平均扭轉(zhuǎn)剛度在改進(jìn)前變化較大，這是由于彈簧銷內(nèi)鋼絲與杯套間的間隙所引起的，但在相同載荷條件下，改進(jìn)后的平均扭轉(zhuǎn)剛度變化趨于穩(wěn)定。再根據(jù)平均扭轉(zhuǎn)剛度和相對(duì)位移變化值可看出，聯(lián)軸器改進(jìn)前后兩組數(shù)據(jù)變化很小，平均扭轉(zhuǎn)剛度很接近。從扭轉(zhuǎn)剛度方面考慮，此改進(jìn)措施切實(shí)可行。

5 結(jié)束語

對(duì)彈簧銷聯(lián)軸器進(jìn)行上述改進(jìn)能簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。經(jīng)靜態(tài)試驗(yàn)證明，改進(jìn)措施切實(shí)可行。并且，改進(jìn)后的聯(lián)軸器在內(nèi)蒙古東勝電廠磨煤機(jī)上連續(xù)運(yùn)行十個(gè)月且情況良好，這也說明該改進(jìn)設(shè)計(jì)的成功。改進(jìn)后的彈簧銷聯(lián)軸器設(shè)計(jì)已獲得國家專利(專利號(hào)：ZL200820114615.7)，并于 2009年 12月12日在中國機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會(huì)傳動(dòng)聯(lián)接件分會(huì)二屆二次年會(huì)上通過國家標(biāo)準(zhǔn)審核。

[1]周明衡.聯(lián)軸器選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]阮忠唐.聯(lián)軸器、離合器設(shè)計(jì)與選用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.