劉賢文

（廣東省廣州市機(jī)電技師學(xué)院，廣東廣州 510435）

0 引言

連續(xù)軋鋼分廠精整區(qū)的快速鏈傳送機(jī)構(gòu)主要功能是篩選非標(biāo)準(zhǔn)尺寸長度的螺紋鋼材，快速鏈傳送機(jī)構(gòu)如圖1 所示，由分離鏈、液壓馬達(dá)、快速鏈、傳動(dòng)軸及夾殼聯(lián)軸器等組成。分離鏈將標(biāo)準(zhǔn)尺寸螺紋鋼材送入快速鏈后落到打包區(qū)，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼材落入非標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺寸輸送滾道。生產(chǎn)中快速鏈傳送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸的夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性聯(lián)接失效問題故障，在夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接的螺孔有被擠壓現(xiàn)象和螺栓斷裂故障問題，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。

圖1 快速鏈傳送機(jī)構(gòu)

1 夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接部位受力的分析

1.1 故障現(xiàn)象

夾殼聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由上夾殼、下夾殼、8 支內(nèi)六角螺絲組成。在軸傳動(dòng)中夾殼聯(lián)軸器傳遞了液壓馬達(dá)提供傳矩力，液壓馬達(dá)排量2.5～3600 cm3/r，經(jīng)過減速后輸?shù)絺鲃?dòng)軸的轉(zhuǎn)速100～1000 r/min，最快速度時(shí)外緣的線速度約4 m/s。經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，當(dāng)軸直徑D=80 mm 時(shí)，夾殼聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩為2650 N·m，許用轉(zhuǎn)速2650 r/min，螺栓為M16×70 mm[1]。夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接的內(nèi)六角螺絲直接與下夾殼的機(jī)攻螺紋牙聯(lián)接，當(dāng)設(shè)備在生產(chǎn)的過程中夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性的螺紋聯(lián)接松脫，部分螺紋塑性變形和內(nèi)六角螺絲疲勞斷裂，如圖3 所示。同時(shí)伴隨螺絲和孔壁的貼合面被壓潰，損壞了夾殼聯(lián)軸器螺孔。

圖2 夾殼聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)

圖3 螺絲斷裂

1.2 內(nèi)六角螺絲擰緊力矩分析

夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲預(yù)緊力F0與殼聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩有一定正比關(guān)系。當(dāng)夾殼聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩達(dá)2650 N·m 的時(shí)，在螺紋聯(lián)接體中就要施加大于2650 N·m 的擰緊力矩。在單個(gè)螺栓上的預(yù)擰緊力為[2]：

式中 Kn——可靠性系數(shù)，取1.2～1.5

M——擰緊扭矩，N·m

μ——聯(lián)接摩擦副的摩擦因數(shù)，0.1～0.16

Z——螺栓數(shù)量

F——擰緊力，kN

D——傳動(dòng)軸直徑，mm傳遞的軸向力[2]：

在設(shè)計(jì)上選取擰緊力F0≈（0.5～0.7）σs×As，安全系數(shù)為1.2以上。對于夾殼聯(lián)軸器螺栓既受剪和拉力，傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)還承受突變載荷，采用8.8 級高強(qiáng)度的內(nèi)六角螺絲，可以增加擰緊力F0≈0.75σs。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，M16 的8.8 級螺栓的屈服強(qiáng)度σs≥800 MPa，得出擰緊力F0≈94.2 kN，拉伸力72.1 kN[1]。在螺紋聯(lián)接體中施加在螺絲上的許用擰緊力矩大于一倍以上夾殼聯(lián)軸器工作承受的力矩，消除了夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲的擰緊力不足引起螺紋聯(lián)接松動(dòng)的隱患，同時(shí)螺絲轉(zhuǎn)矩力也大于工作時(shí)的拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。

1.3 配合面摩擦力矩分析

夾殼聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩與聯(lián)軸器配合面的摩擦力矩對聯(lián)接螺栓壽命成正比。聯(lián)軸器配合面的摩擦力矩：

式中 f——配合面的摩擦系數(shù)，一般為0.1～0.2，取0.15

F0——螺栓的預(yù)緊力，N

Z——螺栓數(shù)目

d——軸的基本直徑，mm

L——聯(lián)軸器的長度，mm

聯(lián)軸器擰緊轉(zhuǎn)矩和聯(lián)軸器的配合面摩擦力矩大于夾殼聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩，為2650 N·m。

2 夾殼聯(lián)軸器內(nèi)六角螺絲故障機(jī)理

反復(fù)沖擊下夾殼連軸器六角螺絲頭相對于螺栓的切向滑動(dòng)，內(nèi)六角頭與給合因受沖擊和材料被擠壓，結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力減小，內(nèi)六角螺絲開始產(chǎn)生擺動(dòng)，F(xiàn) 徑向力作用下與螺孔相接觸螺絲相互擺動(dòng)產(chǎn)生剪切力，松動(dòng)后受杠桿力長時(shí)間擺動(dòng)力作用，在螺絲孔的邊緣處是受力支點(diǎn)，螺紋受應(yīng)力而斷裂。

2.1 內(nèi)六角螺絲松動(dòng)機(jī)理

夾殼聯(lián)軸器兩夾殼依靠擰緊內(nèi)六角螺絲夾緊，緊壓在被聯(lián)接兩軸的表面間的產(chǎn)生壓力P，實(shí)現(xiàn)兩軸的聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩T，帶動(dòng)相鄰軸的旋轉(zhuǎn)，壓力P 的大小由夾殼聯(lián)軸器的內(nèi)六角螺絲的擰緊力矩決定的。如圖4 所示，當(dāng)夾殼聯(lián)軸器承受軸向拉或壓載荷時(shí)，軸的轉(zhuǎn)矩載荷力集中轉(zhuǎn)為六角螺絲的F剪切力，在F剪切力的作用下六角螺絲的螺紋副間將有相對滑動(dòng)趨勢，并導(dǎo)致聯(lián)接松動(dòng)，甚至出現(xiàn)六角螺絲松脫。

圖4 螺紋受力分析

2.2 內(nèi)六角螺絲斷裂機(jī)理

液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)輸出力矩時(shí)夾殼聯(lián)軸器受到橫向即與螺栓軸線垂直的方向如圖4 所示，六角螺絲既受F剪切力和F拉力。這些力是由液壓馬達(dá)輸出的力矩與鏈條導(dǎo)軌的摩擦力、鋼材重力、鋼材與蓋板摩擦力等合成力時(shí)，在反復(fù)沖擊下夾殼連軸器六角螺絲頭相對于螺栓的切向滑動(dòng)很容易產(chǎn)生振動(dòng)，隨著振動(dòng)載荷的振動(dòng)頻率增大、六角螺栓副間的摩擦因數(shù)減小甚至到零，破壞了螺紋自鎖條件而有微量的相對滑動(dòng)，導(dǎo)致螺母自動(dòng)回轉(zhuǎn)松動(dòng)，夾殼聯(lián)軸器出現(xiàn)周期性螺絲斷裂的故障。

3 夾殼聯(lián)器技術(shù)改造

螺紋聯(lián)接防松的實(shí)質(zhì)，在于防止工作時(shí)螺栓和螺母的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，改變夾殼聯(lián)軸器聯(lián)接部位的結(jié)構(gòu)形狀，如圖5 所示。通孔外六角螺栓聯(lián)接增大被聯(lián)接件承受部分壓力，螺旋副和被聯(lián)接件接觸表面的摩擦力增大，防止了摩擦力下降至造成松脫的臨界值。螺栓集中承受拉力不變，改造消除了螺栓在螺絲孔的邊緣處是受力支點(diǎn)力作用，在螺母壓緊彈簧墊圈后，在預(yù)張力的作用下螺栓的摩擦力增加，防止被聯(lián)接件的相對滑移。螺母就不再出現(xiàn)松動(dòng)的情況了，避免了螺栓受的集中剪切應(yīng)力。

圖5 夾殼聯(lián)軸器受力分析

4 結(jié)論

內(nèi)六角螺絲與外六角螺栓聯(lián)接，理論上在同樣材料、相同螺紋的兩種螺絲的承載能力一樣。但內(nèi)六角螺絲采用自攻螺紋作為聯(lián)接緊固件時(shí)，它不能套用螺栓工作機(jī)理來計(jì)算它的聯(lián)接強(qiáng)度[3]。因忽略了螺母與聯(lián)軸器件支撐面接觸表面上的摩擦力，內(nèi)六角螺絲擰緊時(shí)螺紋副的自鎖作用和螺栓頭與聯(lián)軸器件支撐面接觸表面上的摩擦力只有一個(gè)面，大部分力被存儲(chǔ)在緊固件及螺絲中，使螺栓集中承受拉力，被聯(lián)接件承受部分壓力。外六角螺栓與螺母的配合聯(lián)接能使外界軸偏移等因素使這個(gè)能量釋放出來，受拉力和剪切力就會(huì)減少或消失，當(dāng)螺紋聯(lián)接受沖擊振動(dòng)或交變載荷作用時(shí)，螺紋副之間和支撐面間的摩擦力不會(huì)減小從而引起惡性故障。