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液壓安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算

文檔作者：吳量胡覺凡魏志毅劉勇王曉鵬彭磊孫向陽文檔來源： 1．中國重型機(jī)械研究院股份公司 2．西安交通大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月20日
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· 84 · 重型機(jī)械 2016 NO．4
液壓安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算
吳 量 ，胡覺凡 ，魏志毅 ，劉 勇 ，王曉鵬 ，彭 磊 ，孫向陽
(1．中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032；2．西安交通大學(xué)，陜西西安710049)
摘要：液壓安全聯(lián)軸器是一種新型的保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)的裝置，文章介紹了液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)
原理、性能特點(diǎn)及選用方法，提供了校核算法，并針對(duì)某鋼廠實(shí)際工況，在傳動(dòng)系統(tǒng)選用高速式法蘭
聯(lián)結(jié)安全聯(lián)軸器作為過載保護(hù)，精選型計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后，滿足設(shè)計(jì)要求，為液壓安全聯(lián)軸器的選用提
供了參考。
關(guān)鍵詞：液壓安全聯(lián)軸器；結(jié)構(gòu)原理；選用方法
中圖分類號(hào)：TH133．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—196X(2016)04—0084—06
The introduction and selection calculation of hydraulic safety coupling
WU Liang ， ，HU Jue—fan ，WEI Zhi．yi ，LIU Yong ，WANG Xiao．peng ，PENG Lei ，SUN Xiang．yang
(1．China National Heavy Machinery Research lnstitue Co．，Ltd．，Xi’an 7 10032，China
2．Xi’an Jiaotong University，Xi’an 7 10049，China)
Abstract：Hydraulic safety coupling is a new kind of protection of transmission device，It has many advantages，
such as high eficiency and reliable，easy to install and disassemble，accurate setting torque and adjusta—
ble，widely used in metallurgy，rolling，mining，wind power，building materials and other industries．It has a
variety of connecting ways of hydraulic safety coupling，the connecting way according to the need of the actual
working condition，it can be used as separate connecting part，and can be connected with gear，chain wheel，
shaft and combinations of various coupling，etc． This paper introduces the hydraulic safety coupling structure
principle，performance characteristics ，selection methods，and a checking algorithm ，provides reference for the
selection of hydraulic safety coupling．
Keywords：hydraulic safety coupling；the structural principle；selection method
U 日IJ舌
隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械不斷向
高速、輕型、高效、智能化發(fā)展，對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)
械的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維修和安全可靠
運(yùn)行提出了更高的要求。因此，對(duì)各類機(jī)械設(shè)備
的傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行有效的過載保護(hù)及快速修復(fù)的
功能，顯得尤為重要。液壓安全聯(lián)軸器是把固定
聯(lián)接和轉(zhuǎn)矩限制建立在同一個(gè)部件上并具有過載
收稿日期：2016—01—05：修訂日期：2016—03—20
作者簡介：吳量(1984一)，男，西安交通大學(xué)碩士研究生，中
國重型機(jī)械研究院股份公司工程師。
保護(hù)功能的一種新型聯(lián)軸器，是各類摩擦聯(lián)軸器
中的一種型式。它能夠準(zhǔn)確、有效地防止過載引
起的設(shè)備損壞，廣泛應(yīng)用于一切需要過載保護(hù)的
機(jī)械傳動(dòng)裝置中。
1 結(jié)構(gòu)原理
液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)如圖1中所示，其中
聯(lián)接套是液壓安全聯(lián)軸器的核心部件，其結(jié)構(gòu)是
一個(gè)密封的雙層套筒。其工作原理如圖2所示，
在聯(lián)結(jié)套內(nèi)注入液壓油，然后擰緊安全管，使液
壓油密封在聯(lián)接套之中，在壓力的作用下，聯(lián)接
套內(nèi)壁、外壁均產(chǎn)生彈性變形，內(nèi)套與軸、外壁
重 機(jī)械 ·85 ·
與輪轂分別形成過盈聯(lián)接，在摩擦力的作用下，
即可傳遞與腔內(nèi)液壓力成正比的轉(zhuǎn)矩 當(dāng)實(shí)際傳
遞的轉(zhuǎn)矩大于該轉(zhuǎn)矩時(shí)，聯(lián)接套與軸之間會(huì)發(fā)生
相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 固定在軸上的剪切環(huán)立即剪斷安全
管，使聯(lián)接套巾的液壓油快速釋放，聯(lián)接套恢復(fù)
彈性變形，聯(lián)接套與軸脫離空轉(zhuǎn)，巾止轉(zhuǎn)矩傳
遞，從而起到安全保護(hù)的作州?；謴?fù)T作時(shí)，更
換新的安全管．重新注入液壓油便可繼續(xù)工作。
圖1 液壓安仝聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖
Fig．1 The stru(’ture diagt’Hin of Hyd v’auli( safety coupling
圖2 液壓安 聯(lián)軸器原理
Fig．2 The schematic diagram of Hydraulicsafety coupling
2 性能特點(diǎn)
我同目前大部分機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備上采川安全銷
或安全環(huán)式安全聯(lián)軸器 由于銷釘類似限轉(zhuǎn)矩的
1 00
E 80
-
三6o
鬈40
20
循環(huán)裁荷
a)液壓安全聯(lián)輔器與銷釘聯(lián)軸器在
環(huán)載荷作用下的轉(zhuǎn)矩變化『捫線
元件會(huì)經(jīng)常發(fā)生金屬疲勞，導(dǎo)致了聯(lián)軸器頻繁而
沒有必要的松弛，從而造成生產(chǎn)損失。只有當(dāng)銷
釘只受剪力作,qq時(shí)，銷釘聯(lián)軸器才能保證精確的
轉(zhuǎn)矩；發(fā)生過一些松弛后，銷釘支座被磨損，純
粹受剪的前提就不存在了，這使得聯(lián)軸器的極限
轉(zhuǎn)矩不可避免地降低，因此，常發(fā)生銷釘斷裂。
而液壓安全聯(lián)軸器是通過摩擦力來控制傳動(dòng)轉(zhuǎn)
矩 此，它不會(huì)發(fā)生金屬疲勞。在圖3(a)中
兩種聯(lián)軸器的對(duì)比可以看到傳遞轉(zhuǎn)矩高效可靠。
任圖3(1 )I11可以看到，液壓安全聯(lián)軸器傳遞的
轉(zhuǎn)矩和它腔內(nèi)油壓成正比，不但其傳遞的轉(zhuǎn)矩可
靠，而且預(yù)定轉(zhuǎn)矩可調(diào)整且能持續(xù)。在圖3(c)
中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備過載時(shí)，液壓安全聯(lián)
軸器快速釋放腔內(nèi)油壓，因而能夠安全可靠的保
護(hù)設(shè)備
轉(zhuǎn)矩／N。Ill 轉(zhuǎn)矩／N·m
b)液壓安全聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩一壓力lflI線幽 (c)液 安全聯(lián)軸器過載時(shí)
轉(zhuǎn) 隨時(shí)問變化曲線
圖3 液壓安全聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩圖
Fig．3 The torque diagram of hydraulic sM'ety coupling
問
· 86· 重型機(jī)械 2016 No．4
3 聯(lián)接型式及應(yīng)用舉例 主 的需要進(jìn)行設(shè) 常見的有以下七
安全聯(lián)軸器型式有多種聯(lián)接方式，聯(lián)接方式
表1 液壓安全聯(lián)軸器聯(lián)接型式
Tab．1 The connection type of hydraulic safety coupling
型式代號(hào) 名稱 圖示 性能特點(diǎn)
低速式軸聯(lián) ／，，／／／／，，，／／／／／ 由于沒有軸向支撐 ，因此聯(lián)軸器在壓
，／，，，，，，，／／／，，，， 力釋放狀態(tài)不能承受軸向力。DZ 結(jié)軸器安 全聯(lián) 舳 于低速重載的普通彈性聯(lián)軸器中主要。 用
高速式軸聯(lián)
J GZ 結(jié)安全聯(lián) ~fl JTi一一 ，
軸器
一一一一
酮
低速式鍵聯(lián) 口 DZ和DJ的主要區(qū)別在于摩擦面固定
在聯(lián)軸器和輪毅之間而不是在聯(lián)軸器
DJ 結(jié)安全聯(lián) 懶 和軸之間
。軸器 主要用于中速重載有鍵聯(lián)
結(jié)的傳動(dòng)軸。
高速式鍵聯(lián) 嘉 ■'一 ，，
? ， ? ， ， ， —
GJ 結(jié)安全聯(lián) 裝置內(nèi)側(cè)，由于軸和輪轂表面加工精
軸器 度要求較低，因此應(yīng)用簡便。主要用
一 于高速重載，用鍵聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)軸
．L
低速式法蘭 沒有軸向支撐，因而聯(lián)軸器在壓力釋
叩 放狀態(tài)不能承受軸向力。其法蘭可根
軸器 l I 據(jù)工況要求訂做，主要用于十字軸聯(lián)
軸器中。
高涑式法蘭 由于裝有軸承'聯(lián)軸器在壓力釋放狀
lqJ J4：“1A= 態(tài)能承受雙向軸向力和彎曲載荷
， GF 聯(lián)結(jié)安全聯(lián) 其
軸器 法蘭可根據(jù)工況要求訂做。主要用于
一
高速重載的傳動(dòng)軸。
． I
高速式端面 一 由于裝有軸承，聯(lián)軸器在壓力釋放狀
GC 齒聯(lián)結(jié)安全 ￡￡￡， 二t ￡ 髓 態(tài)能承受雙向軸向力和彎曲載荷，其
聯(lián)軸器
? ～
聯(lián)結(jié)方式為齒輪聯(lián)結(jié)。
液壓安全聯(lián)軸器不但可以單獨(dú)起聯(lián)接作用，
而且可以與諸如齒輪、鏈輪、軸及各種聯(lián)軸器組
合使用，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、風(fēng)電、
高鐵等領(lǐng)域。
特別是在冶金行業(yè)，傳動(dòng)系統(tǒng)通常具有重
載、大扭矩，工況復(fù)雜多變等特點(diǎn)，液壓安全聯(lián)
軸器能夠有效的保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠、
極大的提高設(shè)備的工作效率。同時(shí)液壓安全聯(lián)軸
2016 NO．4 ， 機(jī)械 ·87·
器自身結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性，可以應(yīng)川于不同
的場(chǎng)合，與其它傳動(dòng)件可以隨意的組合使．}}j，如
圖4所示。這樣能很好的解決這些問題，提供高
效可靠、維護(hù)方便且保養(yǎng)費(fèi)用低的傳動(dòng)系統(tǒng)，不
但使傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率大為提高、維護(hù)成本降
低，而且對(duì)成套設(shè)備裝機(jī)水平的提高也產(chǎn)生了積
極的促進(jìn)作用。
罔4 液J 安全聯(lián)軸器應(yīng)用舉例
Fig．4 The appli~ ation examples of hydraulic safety coupling
4 液體安全聯(lián)軸器的選型計(jì)算
液壓安全聯(lián)軸器的選型依據(jù)與安全滑動(dòng)轉(zhuǎn)
矩、聯(lián)接型式、T作環(huán)境等因素綜合考慮。安全
滑動(dòng)轉(zhuǎn)矩確定時(shí)首先明確液壓安全聯(lián)軸器的保護(hù)
對(duì)象，然后確定保護(hù)對(duì)象的負(fù)載力矩。安全滑動(dòng)
轉(zhuǎn)矩
= K · ≤ (1)
式中， 為計(jì)算滑動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kN·nl；T 為最大
允許T作轉(zhuǎn)矩，kN·m； 為安全聯(lián)軸器的滑動(dòng)
轉(zhuǎn)矩，kN·m；K為系數(shù)，取K一1．5～2。
用于齒輪、鏈輪及皮帶輪聯(lián)結(jié)時(shí)，由于徑向
力的存在，還必須滿足
T≤2．9d d ×10 (2)
式中，T為理論轉(zhuǎn)矩，kN·m；T=9．55×一I W；
，
P 為驅(qū)動(dòng)功率，kW；n為-T=作轉(zhuǎn)速，r／rain；d
為軸徑，mm；d 為分度圓直徑或基準(zhǔn)直
徑，mill。
與液壓安全聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起的軸，其屈服
點(diǎn) ≥300 N／ram 。選用的安全聯(lián)軸器須承受軸
向力、徑向力、彎矩等技術(shù)參數(shù)。當(dāng)滑動(dòng)速度不
大于1．5 m／s時(shí)，應(yīng)選用低速式液壓安全聯(lián)軸
器，否則應(yīng)選用高速式液壓安全聯(lián)軸器。
滑動(dòng)速度
= 5．2dn×10一 ≤1．5 m／s (3)
式巾， 為滑動(dòng)速度，m／s；d為滑動(dòng)面直徑，
mill；n為工作轉(zhuǎn)速，r／min。
當(dāng)環(huán)境溫度在0℃ 以下時(shí)，滑動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)相應(yīng)
· 88· 重型機(jī)械 2016 No．4
降低，其降低值為：溫度值每降低1℃ ，滑動(dòng)轉(zhuǎn)
矩降低1．5％ 。
5 液壓安全聯(lián)軸器的選型校核
由于低速液壓安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)中沒有滾動(dòng)
軸承，軸套與軸在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)為滑動(dòng)摩擦。為防
止磨損過度或溫度過高，其單位壓力、工作時(shí)間
應(yīng)進(jìn)行校核。若單位壓力或工作時(shí)間超過要求
時(shí)，為了保證使用壽命，應(yīng)選用大規(guī)格或高速式
液壓安全聯(lián)軸器。
滑動(dòng)面單位壓力：
F
Dz型：P= ≤1(N／ram ) (4)
圖5 應(yīng)力分布圖
Fig．5 The map of stFess distribution
型：p O
．
9Ld≤ (N／mm2) (5) 6 應(yīng)用舉例
式中，P為單位壓力，N／mm ；F 為松脫后徑向
力，N；d為滑動(dòng)面直徑，mlTl；L為滑動(dòng)面接觸
長度，mm；
松脫后的最大允許工作時(shí)間
t? = — (6o)
式中，￡ 為最大允許工作時(shí)間，min；d為滑動(dòng)
面直徑，mm；F 為松脫后徑向力，N；n為工作
轉(zhuǎn)速，r／min。
與安全聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)在一起的輪轂，其外徑
d 與內(nèi)徑di之比不低于表2的規(guī)定，否則應(yīng)進(jìn)行
強(qiáng)度校核，其應(yīng)力分布如圖5所示，計(jì)算公式為
or 一P ㈩／
1
一
— — — 一 L
(丁 )l2_
¨ 1- ¨
￡ P — ——一 ㈦
( ) 1
=
or
or。 ≤
(9)
(10)
式中， 。，為徑向應(yīng)力，N／mm ； 。 為切向應(yīng)力，
N／mm ；or。 為有效應(yīng)力，N／ram ； 5為屈服極
限，N／mm ；P為油腔壓力，一般為80—100
MPa；da為輪轂外徑，mm；d 為輪轂內(nèi)徑，mm；
K為安全系數(shù)，一般為1．5～2。
表2 輪轂內(nèi)外徑比值
Tab．2 The ratio of hub internal and extemal diameter
根據(jù)武鋼軋鋼生產(chǎn)線實(shí)際工況和空間大小，
以及設(shè)備后續(xù)維護(hù)的要求，在傳動(dòng)系統(tǒng)選用高速
式法蘭聯(lián)結(jié)安全聯(lián)軸器作為過載保護(hù)，結(jié)構(gòu)如圖
6所示。同時(shí)考慮到兩端的同軸度要求，選擇鼓
形齒聯(lián)軸器配套使用。根據(jù)液體安全聯(lián)軸器的選
型計(jì)算公式，預(yù)壓力P。=16．120 MPa時(shí)，經(jīng)優(yōu)
化設(shè)計(jì)后，得出壓力與扭矩的計(jì)算結(jié)果如表3
所示。
表3 液壓安全聯(lián)軸器靜力計(jì)算
Tab．3 The static calculation of hydraulic safety coupling
壓力P／MPa 傳遞轉(zhuǎn)矩T／N·m
74 191．4
70 075．8
65 382．1
6l 415．2
57 049．6
52 536．4
48 323．4
44 321．9
40 175．3
36 083．1
32 186．3
28 147．3
24 339．1
20 567．7
16 813．1
13 364．3
9 940．7
6 950．6
4 179．4
1 820．8
328．1
0
m
20l6 No．4 霞型機(jī)械 ·89 ·
為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在々用的測(cè)試平
臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。利 圖7所示測(cè)試臺(tái)，將液壓安全
聯(lián)軸器同定在測(cè)試臺(tái)上，其上端法蘭與扭力臂『古l
定。預(yù)先給液壓安全聯(lián)軸器內(nèi)注入一定壓力的高
壓油，然后通過液壓缸推動(dòng)扭力臂直到同定往扭
力臂上的剪刃切斷安全管釋壓為止，
記錄此時(shí)的壓力表讀數(shù) 通過如下公式汁算
切斷力矩。
宴 J =1／4’?！甦!‘L
式中，d為液壓缸無桿腔缸徑；￡為扭力臂力臂
長度；P 為測(cè)試臺(tái)測(cè)試壓力即剪斷時(shí)壓力表
讀數(shù)。
根據(jù)計(jì)算所得的 實(shí)際與理論扭矩進(jìn)行對(duì)
照(理論扭矩就是預(yù)先注入的高／K油對(duì)應(yīng)的扭
矩)并進(jìn)行歸納校正， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表4
所示
罔6 液 安全聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)罔
Fig．6 The structural dl awing of stress distribution
7 測(cè)試平臺(tái)
Fig．7 Testing Plattbnn
表4 實(shí)際扭矩與理論扭矩對(duì)照表
Tab．4 The(·OInparison ta1)le of a【‘tuat torque 《{theoteti(’al hwque
經(jīng)分析，由于液壓簡體與軸套之問的間隙值
為一個(gè)范圍，所以液壓安全聯(lián)軸器預(yù)壓有所不
同；液壓系統(tǒng)rl1的壓力表量程過大，讀數(shù)誤差
大；同時(shí)測(cè)試臺(tái)強(qiáng)度不夠，個(gè)別存 測(cè)試過程中
出現(xiàn)憋壓情況導(dǎo)致讀表數(shù)值增大 結(jié)合理論計(jì)算
結(jié)果發(fā)現(xiàn)扭矩偏差不到5 MPa，而在實(shí)際T 作【{J
過載扭矩往往是成倍的增加，所以仍然可以按照
理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行注壓。
7 結(jié)束語
針對(duì)銷釘類安全聯(lián)軸器經(jīng)常發(fā)生銷釘斷裂的
情況，提出用液壓安全聯(lián)軸器來替代銷釘類安全
聯(lián)軸器。對(duì)液壓安全聯(lián)軸器的機(jī)構(gòu)原理、性能特
點(diǎn)做了詳細(xì)的介紹，列舉了它的多種型式及與其
他傳動(dòng)部件組合使用的方法，給 r選型計(jì)算的
方法及公式，并介紹了為r防止磨損或溫度過高
時(shí)的選型校核計(jì)算。文章對(duì)液壓安全聯(lián)軸{群}的選
型、使用、及維護(hù)提供了指導(dǎo)，也能促進(jìn)液壓安
全聯(lián)軸器的進(jìn)一步推廣。
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