胡勇

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

1 前言

隨著我國礦產(chǎn)資源開采向著機(jī)械化和智能化的方向快速發(fā)展，煤礦傳統(tǒng)的人工開采逐漸被機(jī)械開采所取代，機(jī)械化程度越高，工人勞動強(qiáng)度越低，采掘效率越高。但裝備制造技術(shù)的制約及礦井復(fù)雜惡劣的自然條件的影響，使設(shè)備的可靠性和使用壽命受到了嚴(yán)苛的考驗，而作為機(jī)械傳動的樞紐，聯(lián)軸器的使用和發(fā)展必將影響和制約礦用機(jī)械設(shè)備的使用和發(fā)展【1】。它不僅起到連接工件的作用，更是起到傳遞扭矩的作用。然而地質(zhì)條件的惡劣，加上機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣性和復(fù)雜性，聯(lián)軸器如果沒有正確地設(shè)計、選型和使用，便不能充分發(fā)揮其傳遞扭矩的作用，引起設(shè)備故障頻發(fā)，造成設(shè)備停機(jī)，給檢修人員帶來不必要的工作負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時影響煤礦的生產(chǎn)，甚至造成人員傷亡，給煤礦采掘帶來不可估量的損失。因此對各類型聯(lián)軸器深入研究探索就顯得十分必要。

2 聯(lián)軸器故障成因

連軸器的形態(tài)多樣，使用環(huán)境和工況存在很大差異，因此在不同的工作場合，其使用壽命也不盡相同。由于聯(lián)軸器起連接和傳遞扭矩的作用，瞬間沖擊是導(dǎo)致聯(lián)軸器損壞和發(fā)生故障的直接原因。當(dāng)負(fù)載過大或者瞬時沖擊力過高時，該扭矩將直接作用在聯(lián)軸器上，造成聯(lián)軸器的損壞。同時，在加工制造過程中，如果聯(lián)軸器輪齒表面滲氮處理不充分，引起輪齒硬度不均勻，也易發(fā)生斷裂或脫落等損壞現(xiàn)象【2】。

聯(lián)軸器作為連接元器件，根據(jù)連接形態(tài)和用途主要分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器，見表1。

剛性聯(lián)軸器連接要求極高，需要被連的兩個工件軸線必須保證在同一軸線上，對工件的加工精度要求比較高。由于沒有緩沖特性，剛性聯(lián)軸器經(jīng)常出現(xiàn)打齒、花鍵被沖擊力剪切的現(xiàn)象。如果安裝座發(fā)生變形導(dǎo)致安裝軸線發(fā)生偏移，或兩軸心不在同一軸線上，聯(lián)軸器拆裝將十分困難。撓性聯(lián)軸器能夠補(bǔ)償位移差值，同時兼顧緩沖和減震功能，被廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備部件的軸向連接上傳遞扭矩。由于存在位移補(bǔ)償，必定有一定的安裝間隙，因此撓性聯(lián)軸器存在的故障主要是花鍵、輪齒的磨損，尤其是彈性元器件的磨損。安全聯(lián)軸器的主要功能是過載保護(hù)，當(dāng)負(fù)載力矩大于設(shè)備扭矩設(shè)定值時，聯(lián)軸器損壞，從而保護(hù)工件不受損壞。

3 煤礦機(jī)械常用的聯(lián)軸器

3.1 凸緣聯(lián)軸器

凸緣聯(lián)軸器如圖1 所示，它是一種固定式剛性聯(lián)軸器，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，要求連接的兩個工件具有相同的瞬時轉(zhuǎn)速，同時對工件的加工精度和安裝精度有很高的要求。受到負(fù)載作用導(dǎo)致工件變形以及溫度變化等因素引起兩軸的相對位置變化時，往往不能保證嚴(yán)格的對中，給聯(lián)軸器的拆裝帶來極大的困難。因此，選用凸緣聯(lián)軸器，必須要保證所連接工件的加工精度和安裝精度要求，保證所連接的兩個工件有較高的同軸度，以免產(chǎn)生附加動載荷[3]。

圖1 凸緣聯(lián)軸器

3.2 套筒聯(lián)軸器[4]

作為一種剛性聯(lián)軸器，套筒聯(lián)軸器經(jīng)常被應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備的各種場合。套筒聯(lián)軸器的工作原理與凸緣聯(lián)軸器類似，實現(xiàn)的目的是將兩個同軸線的工件通過剛性連接，達(dá)到傳遞扭矩的作用，如圖2 所示。套筒聯(lián)軸器無法補(bǔ)償兩軸線的位移差，也不具備緩沖和減震的特性。

圖2 套筒聯(lián)軸器

3.3 齒輪聯(lián)軸器

齒輪聯(lián)軸器屬于可移動式剛性聯(lián)軸器，由內(nèi)齒、凸緣的外套筒和帶有外齒的內(nèi)套筒幾部分組成,如圖3 所示。齒輪聯(lián)軸器經(jīng)常應(yīng)用到煤礦機(jī)械的各種領(lǐng)域，比如掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)和截割減速器之間的連軸器就是齒輪連軸器，它的優(yōu)點很多，比如傳遞扭矩值大，拆卸方便，安裝簡易。這種聯(lián)軸器有齒輪的存在，需要潤滑劑對齒輪進(jìn)行保養(yǎng)，從而延長其使用壽命。齒輪聯(lián)軸器發(fā)生故障的原因主要是潤滑油的缺失或不足，以及軸向位移差過大，超過了聯(lián)軸器的補(bǔ)償范圍，從而造成局部受力磨損或產(chǎn)生附加力矩，影響聯(lián)軸器的正常運行，造成齒輪磨損、斷齒直至不能工作[5]。

圖3 齒輪聯(lián)軸器示意圖

3.4 彈性聯(lián)軸器

彈性聯(lián)軸器帶有彈性體（見圖4），能夠運用平行或螺旋切槽系統(tǒng)來適應(yīng)各種偏差，精確傳遞扭矩。彈性聯(lián)軸器的優(yōu)點主要有：可實現(xiàn)零回轉(zhuǎn)間隙同步運轉(zhuǎn)；具有較高的扭矩剛性和靈敏性；可補(bǔ)償各種徑向、軸向及角度偏差；具有免維護(hù)和抗油污抗腐蝕特性；具有減震和緩沖特性。由于優(yōu)勢明顯，在很多步進(jìn)、伺服系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，都能用到彈性聯(lián)軸器。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)分析了某種發(fā)電機(jī)組用彈性聯(lián)軸器出現(xiàn)的撕裂故障，對選型、制造質(zhì)量、對中超差以及轉(zhuǎn)速波動等可能影響聯(lián)軸器損壞的影響因素進(jìn)行了分析，為彈性聯(lián)軸器的選型和故障分析提供了參考。

圖4 彈性聯(lián)軸器示意圖

3.5 萬向聯(lián)軸器

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，一些扭矩可能需要向不同的方向進(jìn)行傳遞，或者在設(shè)計過程中，由于布局位置的局限性，兩個工件間的扭矩傳遞不在同一軸線上，就無法再選用別的聯(lián)軸器，需要用到一種特殊的聯(lián)軸器：萬向聯(lián)軸器。圖5所示為十字軸式萬向聯(lián)軸器[7]。

圖5 萬向聯(lián)軸器示意圖

萬向聯(lián)軸器一般由傳動軸、萬向十字軸和叉型接頭等組成。圖5 中傳動軸1 將扭矩通過萬向十字軸2 與叉型接頭3 連接，并通過另一個萬向十字軸的連接和傳遞作用，最終將扭矩傳遞給傳動軸4，從而實現(xiàn)了扭矩的傳遞。萬向連軸器最主要的特點就是具有較大的角度補(bǔ)償能力，能夠改變扭矩的傳遞方向，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，可實現(xiàn)5°-45°之間角度連接。在實際應(yīng)用過程中，萬向聯(lián)軸器根據(jù)傳遞的扭矩大小分為輕型、中型和重型。目前，在汽車行業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)機(jī)械等運動機(jī)械上大量使用萬向十字軸式聯(lián)軸器。由于廣泛應(yīng)用，絕大多數(shù)萬向聯(lián)軸器已經(jīng)逐漸規(guī)格化或標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計者可直接根據(jù)所需環(huán)境選用。選取萬向聯(lián)軸器主要考慮的因素包括：（1）傳遞扭矩的大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的具體要求；（2） 兩工件軸心相對位移的大小和方向；（3）聯(lián)軸器的可靠性和使用環(huán)境；（4）傳遞轉(zhuǎn)速的高低和引起離心力的大小等。

3.6 安全聯(lián)軸器

安全聯(lián)軸器作為一類特殊的聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)形態(tài)與普通聯(lián)軸器類似，不僅能實現(xiàn)兩工件間的連接和扭矩傳遞的作用，更能保護(hù)工件不受過高負(fù)載的損害。在礦用機(jī)械領(lǐng)域，安全聯(lián)軸器的應(yīng)用會極大保護(hù)機(jī)械設(shè)備不受損壞，保障生產(chǎn)接續(xù)順利進(jìn)行[8]。其主要工作原理是：當(dāng)連接的主動件和從動件所傳遞的扭矩或承受的負(fù)載力矩過大，超過了聯(lián)軸器扭矩設(shè)定值時，安全聯(lián)軸器就會以打滑的形式限制傳動系統(tǒng)所傳動的扭力，當(dāng)過載情況或故障情況消除之后，安全聯(lián)軸器又會自行恢復(fù)聯(lián)結(jié)。這就防止了設(shè)備損壞，避免了更加嚴(yán)重的停機(jī)損失或機(jī)械損壞。但在安全連軸器的設(shè)計和選型上，也要根據(jù)實際使用情況合理應(yīng)用，避免因聯(lián)軸器本身的設(shè)計問題導(dǎo)致機(jī)械故障[9]。

僅使用了機(jī)械式的力矩限制器就能快速切斷主動件和從動件之間的聯(lián)系，避免過載，保護(hù)工件不受損壞，安全聯(lián)軸器存在諸多優(yōu)點：（1）力矩控制范圍寬，控制精度高；（2） 具有定轉(zhuǎn)矩特性，不會隨外界因素改變；（3）在潤滑差的情況下能夠傳遞一定扭矩，無沖擊、振動、噪聲，運行平穩(wěn)；（4）結(jié)構(gòu)簡單體積??；（5）過載能夠預(yù)警和保護(hù)；（6）重新連接后可保持原始位置不變。

4 結(jié)論

不同的應(yīng)用場合，選用聯(lián)軸器時需要綜合考慮以下影響因素：使用工況、安裝空間、傳遞扭矩的大小、傳遞扭矩的方向、是否考慮過載預(yù)警和保護(hù)以及制作成本等。例如在煤礦機(jī)械領(lǐng)域，采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)在設(shè)計時已經(jīng)做到高精度的同軸度，同時要求傳遞的扭矩值很高，這時就可以選用齒輪連軸器或套筒聯(lián)軸器；在農(nóng)業(yè)機(jī)械和汽車領(lǐng)域，由于傳動跨距大，扭矩傳遞方向可能發(fā)生變化，扭矩傳遞值不必和礦用采掘機(jī)械一般高，可以選用萬向聯(lián)軸器；在機(jī)床應(yīng)用等某些需要應(yīng)用到過載保護(hù)和預(yù)警的場合用安全聯(lián)軸器。

本文列舉了常用的幾種聯(lián)軸器，分析了各類聯(lián)軸器的使用場合和各自優(yōu)缺點，為煤礦機(jī)械設(shè)備聯(lián)軸器的選型和設(shè)計提供依據(jù)，同時也為非煤機(jī)械設(shè)備提供參考。