栗國浩

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300452）＊

聯(lián)軸器可分為機(jī)械式聯(lián)軸器、液力聯(lián)軸器、電磁式聯(lián)軸器等。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化以及拆裝簡單，鍵連接被廣泛應(yīng)用于聯(lián)軸器與軸的連接。但是，鍵傳遞的扭矩有限，且鍵槽影響了被聯(lián)接軸的強(qiáng)度［1］。在石油鉆井行業(yè)，由于高速和重載的要求，選用齒式錐套聯(lián)軸器。本文介紹了該聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝拆卸步驟、軸的對中方法，可指導(dǎo)現(xiàn)場人員維修該類聯(lián)軸器。

1 基本結(jié)構(gòu)

齒式錐套聯(lián)軸器為機(jī)械式聯(lián)軸器中的剛性可移式聯(lián)軸器，由錐形套、平鍵套和法蘭盤3部分組成，如圖1所示。錐形套和平鍵套分別安裝在需要聯(lián)接的軸端，2個(gè)法蘭盤的內(nèi)齒環(huán)分別與錐形套和平鍵套的外齒環(huán)相嚙合，由螺栓聯(lián)成一體。齒式錐套聯(lián)軸器內(nèi)外齒環(huán)的齒數(shù)、模數(shù)相同，漸開線齒廓壓力角為20°。對于所聯(lián)接的2個(gè)軸，因制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，存在同軸度誤差。為了使聯(lián)軸器適應(yīng)該誤差，齒式類聯(lián)軸器都將外齒環(huán)的齒設(shè)計(jì)成鼓形齒，齒頂設(shè)計(jì)為中心線在軸線上的球面，齒頂和齒側(cè)留有較大的間隙。此外，當(dāng)兩軸有位移時(shí)，聯(lián)軸器齒面間會(huì)因相對滑動(dòng)而磨損。為減少磨損，聯(lián)軸器的齒環(huán)間注有潤滑劑。為防止?jié)櫥瑒┩庑?，法蘭盤上設(shè)計(jì)有密封圈槽。

齒式錐套聯(lián)軸器的特點(diǎn)：

1）聯(lián)軸器同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，承載能力大，外廓尺寸緊湊，可靠性高，傳遞扭矩大，但因成本較高，通常用于高速重載的重型機(jī)械中。

2）電機(jī)端軸取消了鍵槽，采用錐形軸，能有效保證軸的強(qiáng)度，簡化軸的加工工藝，提高軸與套的對中性。

3）錐形套與電機(jī)錐形軸間保證有70%～80%的接觸面積，因此加工精度要求較高，一般Ra＝1.6μm。

4）由于聯(lián)接錐形軸面的特殊性，需要有特殊的安裝與拆卸工藝。

圖1 齒式錐套聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意

2 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

蓬萊海洋油田某石油鉆井絞車［2］，采用變頻調(diào)速異步電機(jī)，其額定功率為800kW，額定電壓為600V，額定轉(zhuǎn)速為740r／min，輸出端為1∶9.6錐度的錐形軸，錐形軸上設(shè)計(jì)有油槽，油槽上有1個(gè)與軸端中心孔相通的油孔。聯(lián)軸器拆卸時(shí)向軸端中心孔注入高壓油來輔助完成拆卸工作，如圖2。減速箱的輸入端為鍵聯(lián)接軸，如圖3。

圖2 電機(jī)錐形軸

圖3 減速箱鍵聯(lián)接軸

3 齒式錐套聯(lián)軸器的安裝［3－6］

電機(jī)輸出端的錐形軸與錐形套采用過盈配合來傳遞扭矩，則兩者的裝配成為聯(lián)軸器安裝的關(guān)鍵之一。常用的裝配方法有靜力壓入法、動(dòng)力壓入法、溫差裝配法和液壓裝配法等。現(xiàn)場實(shí)際工作中一般采用溫差裝配法。

溫差裝配法就是利用聯(lián)軸器受熱膨脹或軸端受冷收縮，而使聯(lián)軸器孔內(nèi)徑略大于軸直徑而實(shí)現(xiàn)裝配的方法。該方法既省力，又不會(huì)擦傷配合面而降低連接強(qiáng)度。溫差裝配法步驟：

1）將聯(lián)軸器錐套與電機(jī)輸出端軸在常溫下裝合，用橡膠或木錘敲擊錐套，在軸上作標(biāo)記，如a。

2）以標(biāo)記a為基準(zhǔn)，做標(biāo)記b，保證標(biāo)記a 與b 間的距離（稱為錐套爬行距離）為3.00～3.31 mm，將限位螺栓固定在電機(jī)端蓋上的螺栓孔中，限位螺栓的端部與b標(biāo)記處位于同一平面內(nèi)。

3）取下錐形套，將錐形套由里向外均勻加熱至215～250℃，迅速將其推入電機(jī)軸上，瞬間達(dá)到標(biāo)記b處，并立即用擋板在錐形套外端壓緊，自然冷卻（安裝時(shí)先將法蘭盤裝于軸上）。

4）待錐形套冷卻至常溫，測量電機(jī)端蓋上的限位螺栓端部與錐形套內(nèi)端的間隙（稱此為錐形套的回縮距離），此過程要確保爬行距離＞2.85 mm，否則重新安裝。

5）對于減速箱端聯(lián)軸器的安裝，亦需確定安裝位置。拆卸前已測得電機(jī)端蓋與減速箱端蓋間距離L，錐套內(nèi)端與電機(jī)端蓋距離S1也可測得，聯(lián)軸器總長l，則平鍵套內(nèi)端與減速箱端蓋距離S2＝LS1－l，即可標(biāo)記安裝位置c，進(jìn)而定位。

6）減速箱軸端聯(lián)軸器采用鍵聯(lián)接，則采用常規(guī)步驟安裝，將平鍵套由里向外均勻加熱至120℃，迅速將其推入軸上c標(biāo)記處，須一次安裝到位。

7）待冷卻后，初裝電機(jī)，用千分表、塞尺及鋼板尺等工具測量聯(lián)軸器的軸向誤差，徑向誤差及角度誤差，使聯(lián)軸器對中找正。

8）齒嚙合間隙內(nèi)注入適量潤滑脂，螺栓聯(lián)接兩法蘭盤，用扭矩扳手對角逐步擰緊，使每個(gè)螺栓鎖緊力基本一致，至此安裝完成。

9）試車，聯(lián)軸器應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪聲。

3.1 安裝過程中須注意的問題

1）安裝前須檢查各配合面是否有磨損，干凈無油污，并檢測最小尺寸及公差，保證配合準(zhǔn)確無誤。

2）確保兩錐形面間有70%～80%的接觸面積（一般可采用涂色法）。對于輕微不一致的，可以用研磨砂紙（250目或更高的砂紙研磨），錐套孔及軸絕不能用砂輪打磨。

3）檢查鍵和鍵槽有無損傷，可用銼刀或砂紙打磨，鍵兩側(cè)與鍵槽應(yīng)緊密貼合（可用涂色法檢查），裝配后確保鍵頂部至少有0.4 mm 間隙（JIS B 1301—1996）。

4）安裝時(shí)要保證兩法蘭盤上的油孔成90°。

5）測量聯(lián)軸器安裝后的軸向、徑向及角度誤差，要使聯(lián)軸器對中找正（詳見聯(lián)軸器對中部分）。

6）聯(lián)軸器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，嚴(yán)格按照手冊進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證齒輪箱內(nèi)有足夠潤滑油，定期檢查嚙合齒面的磨損情況，防止因齒磨損而發(fā)生嚴(yán)重事故。

3.2 齒式錐套聯(lián)軸器的安裝誤差［7－8］

聯(lián)軸器的對中是安裝過程中十分重要的環(huán)節(jié)，對中質(zhì)量直接影響聯(lián)軸器的使用壽命及設(shè)備效能的發(fā)揮。對中工作主要是為了使機(jī)組各軸心線達(dá)到同軸的要求，減小軸向、徑向及角度上的誤差。軸向誤差即順著軸產(chǎn)生的誤差，徑向誤差即兩軸平行但不在同一直線上，在直徑方向產(chǎn)生的誤差，而角度誤差即兩軸中心線互成一角度所產(chǎn)生的誤差。齒式錐套聯(lián)軸器3種誤差如圖4。

圖4 齒式聯(lián)軸器軸的安裝誤差示意

齒式錐套聯(lián)軸器因其特殊的齒式結(jié)構(gòu)，允許的軸向誤差、徑向誤差以及角度誤差較大。本文所研究的蓬萊油田某石油鉆井絞車采用型號(hào)為GEAREX 40的齒式錐套聯(lián)軸器。該型聯(lián)軸器在軸向、徑向和角度方向所允許的最大誤差量可從表1中查得，軸向誤差最大允許值▽Ka＝1.5mm，徑向誤差最大允許值▽Kr＝0.25mm，角度誤差最大允許值▽Kw＝0.5°。

表1所列最大誤差允許值是指該型聯(lián)軸器只有一種誤差存在的情況下，當(dāng)2種或3種誤差同時(shí)存在時(shí)，允許的最大誤差值則相應(yīng)減小。復(fù)合誤差的關(guān)系如圖5。

表1 GEAREX系列齒式聯(lián)軸器誤差參照數(shù)據(jù)［9］

續(xù)表1

圖5 復(fù)合誤差關(guān)系

圖5中當(dāng)徑向誤差（或角度誤差）以最大允許誤差百分比遞減時(shí)，則角度誤差（或徑向誤差）相應(yīng)以最大允許誤差的百分比減?。?］。例如，當(dāng)實(shí)際徑向誤差為最大允許誤差的60%時(shí)，則實(shí)際角度誤差應(yīng)小于最大允許角度誤差的40%。

軸向、徑向和角度誤差一般在聯(lián)軸器初裝完成后都會(huì)存在，常采用下面幾種方法對中找正。

1）直尺塞尺測量對中法，即利用直尺和塞尺相結(jié)合測量聯(lián)軸器外圓各方位上的徑向誤差，用塞尺測量兩半聯(lián)軸器端面間的軸向誤差，通過分析和調(diào)整，達(dá)到兩軸對中。此方法操作簡單，但精度不高，對中誤差較大。只適用于機(jī)器轉(zhuǎn)速較低，對中要求不高的聯(lián)軸器的安裝測量。

2）千分表測量對中法，即利用專用夾具或磁力表座裝在基準(zhǔn)半聯(lián)軸器上（一般裝在電機(jī)軸端的半聯(lián)軸器上），用千分表測量聯(lián)軸器的徑向間隙和軸向間隙的誤差值。此方法對聯(lián)軸器找正有較高的測量精度，但操作計(jì)算比較復(fù)雜，常用的千分表測量方法有雙表法、三表法、五表法及單表法4種。

3）激光對中儀對中法，即采用激光對中儀器對中找正，因激光極佳的方向性及單一性優(yōu)點(diǎn)，此方法精度高、效率高且易于操作。

在實(shí)際工作中，因設(shè)備條件及作業(yè)要求的限制，常使用直尺塞尺測量法和千分表測量法相結(jié)合的方法，先利用直尺和塞尺初步完成對中安裝，保證軸向誤差，再利用千分表和塞尺校正調(diào)節(jié)徑向誤差及角度誤差，最終完成聯(lián)軸器的對中工作。

4 齒式錐套聯(lián)軸器的拆卸

齒式錐套聯(lián)軸器的拆卸是與安裝完全相反的過程。拆卸一般是由于設(shè)備的故障或聯(lián)軸器自身維修的需要，需把聯(lián)軸器拆卸成零部件。

傳統(tǒng)的拆卸方法需要專用的手動(dòng)／電動(dòng)高壓油泵來輔助完成，將高壓油從電機(jī)軸端的油孔進(jìn)入軸上的環(huán)形油槽內(nèi)，在油壓的作用下，逐步實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器錐套與錐形軸的脫離［10］，達(dá)到最終拆卸。此方法的系統(tǒng)油壓高（280 MPa），但有時(shí)即使這樣也不能拆下，需采用加熱與拉拔工具相結(jié)合，或用熱工切割破壞聯(lián)軸器，如圖6。

圖6 切割破壞的聯(lián)軸器錐套

基于齒式錐套聯(lián)軸器拆卸工作的難度，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，本文就其拆卸步驟進(jìn)行簡單介紹。

1）對聯(lián)軸器各零部件之間互相配合的位置標(biāo)記及必要的尺寸測量，以便復(fù)裝時(shí)參考。

2）拆下聯(lián)軸器的法蘭聯(lián)接螺栓，將電機(jī)與減速箱分離，留出足夠空間拆卸聯(lián)軸器。

3）將電機(jī)端聯(lián)軸器的擋板螺栓稍微松開并保留在軸上，以防聯(lián)軸器彈出傷人；安裝如圖7所示專用拉拔器，聯(lián)接高壓油泵管線并加壓預(yù)緊。

圖7 專用拉拔器

4）均勻加熱聯(lián)軸器至120℃左右，手動(dòng)加壓直至聯(lián)軸器脫落。注意要遠(yuǎn)離聯(lián)軸器，以防彈出傷人。

5）拆卸減速箱端聯(lián)軸器與電機(jī)端的拆卸類似；但采用此方法則需要用到大噸位的拉拔裝置，且對系統(tǒng)壓力要求較高，操作不慎就有可能發(fā)生事故。

根據(jù)液體相對不可壓縮性原理，就上述問題專門設(shè)計(jì)了一種螺紋堵頭拆卸器，在電機(jī)軸端孔中注入有一定黏度的液體，用此工具直接加壓來完成拆卸。拆卸器如圖8所示。

圖8 拆卸器

此外，根據(jù)流體的體積彈性模量與壓力和流體體積間的關(guān)系，可得出此拆卸器對于聯(lián)軸器能產(chǎn)生的最大壓力［11］。

式中：E為流體的體積彈性模量；β為流體的壓縮系數(shù)；V為流體的密度；dV為流體的原有體積；dV為流體體積的變化量；dp為流體壓力的變化量。

但是，此拆卸器對加工精度及密封圈有較高的的要求。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（JISB 2406－1991或ISO 3601－2），若密封圈的硬度采用邵氏硬度90A，拆卸器密封圈密封的最大間隙應(yīng)小于0.085 mm，則需根據(jù)電機(jī)軸端油道的精度來確定拆卸器的加工精度。

拆卸器的使用省去了高壓油泵及附屬管線，且無須再使用專用拉拔器，操作簡單方便。

5 結(jié)論

1）按照本文論述的方法、步驟及參考數(shù)據(jù)，蓬萊油田已經(jīng)更換了5套GEAREX 聯(lián)軸器，更換的效率及質(zhì)量都非常滿意，節(jié)約了鉆井時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2）針對海洋模塊鉆井現(xiàn)場的特殊性，設(shè)計(jì)了錐套聯(lián)軸器的專用工具，拆裝工序簡單，極大地節(jié)省了勞動(dòng)力，減少了很多潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）此類聯(lián)軸器安裝時(shí)采用熱裝法，過盈量比較大，如果在使用過程中不注意保養(yǎng)，拆卸就很困難。在加工專用工具時(shí)要充分考慮其強(qiáng)度及安全系數(shù)，拆卸過程中要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用敲擊、加熱、噴灑松動(dòng)劑等組合方法進(jìn)行拆卸。

4）類似于GEAREX的聯(lián)軸器應(yīng)用非常廣泛，尤其是油田重型傳動(dòng)設(shè)備，該拆裝方法能夠?yàn)槠渌愃坡?lián)軸器的拆裝提供借鑒。

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