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液壓安全聯軸器的選型計算

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．中國重型機械研究院股份公司 2．西安交通大學		點擊數：	更新時間： 2021年07月20日
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· 84 · 重型機械 2016 NO．4
液壓安全聯軸器的選型計算
吳 量 ，胡覺凡 ，魏志毅 ，劉 勇 ，王曉鵬 ，彭 磊 ，孫向陽
(1．中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032；2．西安交通大學，陜西西安710049)
摘要：液壓安全聯軸器是一種新型的保護傳動系統的裝置，文章介紹了液壓安全聯軸器的結構
原理、性能特點及選用方法，提供了校核算法，并針對某鋼廠實際工況，在傳動系統選用高速式法蘭
聯結安全聯軸器作為過載保護，精選型計算優化設計后，滿足設計要求，為液壓安全聯軸器的選用提
供了參考。
關鍵詞：液壓安全聯軸器；結構原理；選用方法
中圖分類號：TH133．4 文獻標識碼：A 文章編號：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
隨著科學技術水平的提高，旋轉機械不斷向
高速、輕型、高效、智能化發展，對大型旋轉機
械的設計、制造、安裝、使用、維修和安全可靠
運行提出了更高的要求。因此，對各類機械設備
的傳動系統，進行有效的過載保護及快速修復的
功能，顯得尤為重要。液壓安全聯軸器是把固定
聯接和轉矩限制建立在同一個部件上并具有過載
收稿日期：2016—01—05：修訂日期：2016—03—20
作者簡介：吳量(1984一)，男，西安交通大學碩士研究生，中
國重型機械研究院股份公司工程師。
保護功能的一種新型聯軸器，是各類摩擦聯軸器
中的一種型式。它能夠準確、有效地防止過載引
起的設備損壞，廣泛應用于一切需要過載保護的
機械傳動裝置中。
1 結構原理
液壓安全聯軸器的結構如圖1中所示，其中
聯接套是液壓安全聯軸器的核心部件，其結構是
一個密封的雙層套筒。其工作原理如圖2所示，
在聯結套內注入液壓油，然后擰緊安全管，使液
壓油密封在聯接套之中，在壓力的作用下，聯接
套內壁、外壁均產生彈性變形，內套與軸、外壁
重 機械 ·85 ·
與輪轂分別形成過盈聯接，在摩擦力的作用下，
即可傳遞與腔內液壓力成正比的轉矩 當實際傳
遞的轉矩大于該轉矩時，聯接套與軸之間會發生
相對運動， 固定在軸上的剪切環立即剪斷安全
管，使聯接套巾的液壓油快速釋放，聯接套恢復
彈性變形，聯接套與軸脫離空轉，巾止轉矩傳
遞，從而起到安全保護的作州。恢復T作時，更
換新的安全管．重新注入液壓油便可繼續工作。
圖1 液壓安仝聯軸器結構圖
Fig．1 The stru(’ture diagt’Hin of Hyd v’auli( safety coupling
圖2 液壓安 聯軸器原理
Fig．2 The schematic diagram of Hydraulicsafety coupling
2 性能特點
我同目前大部分機械傳動設備上采川安全銷
或安全環式安全聯軸器 由于銷釘類似限轉矩的
1 00
E 80
-
三6o
鬈40
20
循環裁荷
a)液壓安全聯輔器與銷釘聯軸器在
環載荷作用下的轉矩變化『捫線
元件會經常發生金屬疲勞，導致了聯軸器頻繁而
沒有必要的松弛，從而造成生產損失。只有當銷
釘只受剪力作,qq時，銷釘聯軸器才能保證精確的
轉矩；發生過一些松弛后，銷釘支座被磨損，純
粹受剪的前提就不存在了，這使得聯軸器的極限
轉矩不可避免地降低，因此，常發生銷釘斷裂。
而液壓安全聯軸器是通過摩擦力來控制傳動轉
矩 此，它不會發生金屬疲勞。在圖3(a)中
兩種聯軸器的對比可以看到傳遞轉矩高效可靠。
任圖3(1 )I11可以看到，液壓安全聯軸器傳遞的
轉矩和它腔內油壓成正比，不但其傳遞的轉矩可
靠，而且預定轉矩可調整且能持續。在圖3(c)
中的曲線可以發現，在設備過載時，液壓安全聯
軸器快速釋放腔內油壓，因而能夠安全可靠的保
護設備
轉矩／N。Ill 轉矩／N·m
b)液壓安全聯軸器轉矩一壓力lflI線幽 (c)液 安全聯軸器過載時
轉 隨時問變化曲線
圖3 液壓安全聯軸器轉矩圖
Fig．3 The torque diagram of hydraulic sM'ety coupling
問
· 86· 重型機械 2016 No．4
3 聯接型式及應用舉例 主 的需要進行設 常見的有以下七
安全聯軸器型式有多種聯接方式，聯接方式
表1 液壓安全聯軸器聯接型式
Tab．1 The connection type of hydraulic safety coupling
型式代號 名稱 圖示 性能特點
低速式軸聯 ／，，／／／／，，，／／／／／ 由于沒有軸向支撐 ，因此聯軸器在壓
，／，，，，，，，／／／，，，， 力釋放狀態不能承受軸向力。DZ 結軸器安 全聯 舳 于低速重載的普通彈性聯軸器中主要。 用
高速式軸聯
J GZ 結安全聯 ~fl JTi一一 ，
軸器
一一一一
酮
低速式鍵聯 口 DZ和DJ的主要區別在于摩擦面固定
在聯軸器和輪毅之間而不是在聯軸器
DJ 結安全聯 懶 和軸之間
。軸器 主要用于中速重載有鍵聯
結的傳動軸。
高速式鍵聯 嘉 ■'一 ，，
? ， ? ， ， ， —
GJ 結安全聯 裝置內側，由于軸和輪轂表面加工精
軸器 度要求較低，因此應用簡便。主要用
一 于高速重載，用鍵聯結的傳動軸
．L
低速式法蘭 沒有軸向支撐，因而聯軸器在壓力釋
叩 放狀態不能承受軸向力。其法蘭可根
軸器 l I 據工況要求訂做，主要用于十字軸聯
軸器中。
高涑式法蘭 由于裝有軸承'聯軸器在壓力釋放狀
lqJ J4：“1A= 態能承受雙向軸向力和彎曲載荷
， GF 聯結安全聯 其
軸器 法蘭可根據工況要求訂做。主要用于
一
高速重載的傳動軸。
． I
高速式端面 一 由于裝有軸承，聯軸器在壓力釋放狀
GC 齒聯結安全 ￡￡￡， 二t ￡ 髓 態能承受雙向軸向力和彎曲載荷，其
聯軸器
? ～
聯結方式為齒輪聯結。
液壓安全聯軸器不但可以單獨起聯接作用，
而且可以與諸如齒輪、鏈輪、軸及各種聯軸器組
合使用，廣泛應用于冶金、礦山、建材、風電、
高鐵等領域。
特別是在冶金行業，傳動系統通常具有重
載、大扭矩，工況復雜多變等特點，液壓安全聯
軸器能夠有效的保證設備運轉平穩、工作可靠、
極大的提高設備的工作效率。同時液壓安全聯軸
2016 NO．4 ， 機械 ·87·
器自身結構具有很強的靈活性，可以應川于不同
的場合，與其它傳動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、維護方便且保養費用低的傳動系統，不
但使傳動系統的傳動效率大為提高、維護成本降
低，而且對成套設備裝機水平的提高也產生了積
極的促進作用。
罔4 液J 安全聯軸器應用舉例
Fig．4 The appli~ ation examples of hydraulic safety coupling
4 液體安全聯軸器的選型計算
液壓安全聯軸器的選型依據與安全滑動轉
矩、聯接型式、T作環境等因素綜合考慮。安全
滑動轉矩確定時首先明確液壓安全聯軸器的保護
對象，然后確定保護對象的負載力矩。安全滑動
轉矩
= K · ≤ (1)
式中， 為計算滑動轉矩，kN·nl；T 為最大
允許T作轉矩，kN·m； 為安全聯軸器的滑動
轉矩，kN·m；K為系數，取K一1．5～2。
用于齒輪、鏈輪及皮帶輪聯結時，由于徑向
力的存在，還必須滿足
T≤2．9d d ×10 (2)
式中，T為理論轉矩，kN·m；T=9．55×一I W；
，
P 為驅動功率，kW；n為-T=作轉速，r／rain；d
為軸徑，mm；d 為分度圓直徑或基準直
徑，mill。
與液壓安全聯軸器聯結在一起的軸，其屈服
點 ≥300 N／ram 。選用的安全聯軸器須承受軸
向力、徑向力、彎矩等技術參數。當滑動速度不
大于1．5 m／s時，應選用低速式液壓安全聯軸
器，否則應選用高速式液壓安全聯軸器。
滑動速度
= 5．2dn×10一 ≤1．5 m／s (3)
式巾， 為滑動速度，m／s；d為滑動面直徑，
mill；n為工作轉速，r／min。
當環境溫度在0℃ 以下時，滑動轉矩應相應
· 88· 重型機械 2016 No．4
降低，其降低值為：溫度值每降低1℃ ，滑動轉
矩降低1．5％ 。
5 液壓安全聯軸器的選型校核
由于低速液壓安全聯軸器的結構中沒有滾動
軸承，軸套與軸在相對滑動時為滑動摩擦。為防
止磨損過度或溫度過高，其單位壓力、工作時間
應進行校核。若單位壓力或工作時間超過要求
時，為了保證使用壽命，應選用大規格或高速式
液壓安全聯軸器。
滑動面單位壓力：
F
Dz型：P= ≤1(N／ram ) (4)
圖5 應力分布圖
Fig．5 The map of stFess distribution
型：p O
．
9Ld≤ (N／mm2) (5) 6 應用舉例
式中，P為單位壓力，N／mm ；F 為松脫后徑向
力，N；d為滑動面直徑，mlTl；L為滑動面接觸
長度，mm；
松脫后的最大允許工作時間
t? = — (6o)
式中，￡ 為最大允許工作時間，min；d為滑動
面直徑，mm；F 為松脫后徑向力，N；n為工作
轉速，r／min。
與安全聯軸器聯結在一起的輪轂，其外徑
d 與內徑di之比不低于表2的規定，否則應進行
強度校核，其應力分布如圖5所示，計算公式為
or 一P ㈩／
1
一
— — — 一 L
(丁 )l2_
¨ 1- ¨
￡ P — ——一 ㈦
( ) 1
=
or
or。 ≤
(9)
(10)
式中， 。，為徑向應力，N／mm ； 。 為切向應力，
N／mm ；or。 為有效應力，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 為輪轂內徑，mm；
K為安全系數，一般為1．5～2。
表2 輪轂內外徑比值
Tab．2 The ratio of hub internal and extemal diameter
根據武鋼軋鋼生產線實際工況和空間大小，
以及設備后續維護的要求，在傳動系統選用高速
式法蘭聯結安全聯軸器作為過載保護，結構如圖
6所示。同時考慮到兩端的同軸度要求，選擇鼓
形齒聯軸器配套使用。根據液體安全聯軸器的選
型計算公式，預壓力P。=16．120 MPa時，經優
化設計后，得出壓力與扭矩的計算結果如表3
所示。
表3 液壓安全聯軸器靜力計算
Tab．3 The static calculation of hydraulic safety coupling
壓力P／MPa 傳遞轉矩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 霞型機械 ·89 ·
為驗證計算結果的準確性，在々用的測試平
臺進行驗證。利 圖7所示測試臺，將液壓安全
聯軸器同定在測試臺上，其上端法蘭與扭力臂『古l
定。預先給液壓安全聯軸器內注入一定壓力的高
壓油，然后通過液壓缸推動扭力臂直到同定往扭
力臂上的剪刃切斷安全管釋壓為止，
記錄此時的壓力表讀數 通過如下公式汁算
切斷力矩。
宴 J =1／4’兀‘d!‘L
式中，d為液壓缸無桿腔缸徑；￡為扭力臂力臂
長度；P 為測試臺測試壓力即剪斷時壓力表
讀數。
根據計算所得的 實際與理論扭矩進行對
照(理論扭矩就是預先注入的高／K油對應的扭
矩)并進行歸納校正， 試驗數據記錄如表4
所示
罔6 液 安全聯軸器結構罔
Fig．6 The structural dl awing of stress distribution
7 測試平臺
Fig．7 Testing Plattbnn
表4 實際扭矩與理論扭矩對照表
Tab．4 The(·OInparison ta1)le of a【‘tuat torque 《{theoteti(’al hwque
經分析，由于液壓簡體與軸套之問的間隙值
為一個范圍，所以液壓安全聯軸器預壓有所不
同；液壓系統rl1的壓力表量程過大，讀數誤差
大；同時測試臺強度不夠，個別存 測試過程中
出現憋壓情況導致讀表數值增大 結合理論計算
結果發現扭矩偏差不到5 MPa，而在實際T 作【{J
過載扭矩往往是成倍的增加，所以仍然可以按照
理論計算結果進行注壓。
7 結束語
針對銷釘類安全聯軸器經常發生銷釘斷裂的
情況，提出用液壓安全聯軸器來替代銷釘類安全
聯軸器。對液壓安全聯軸器的機構原理、性能特
點做了詳細的介紹，列舉了它的多種型式及與其
他傳動部件組合使用的方法，給 r選型計算的
方法及公式，并介紹了為r防止磨損或溫度過高
時的選型校核計算。文章對液壓安全聯軸{群}的選
型、使用、及維護提供了指導，也能促進液壓安
全聯軸器的進一步推廣。
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