液压安全联轴器的选型计算

吴 量,胡觉凡, 魏志毅， 刘 勇，王晓鹏， 彭 磊, 孙向阳

(1. 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2. 西安交通大学，陕西 西安710049)

液压安全联轴器的选型计算

吴 量1,2,胡觉凡1, 魏志毅1， 刘 勇1，王晓鹏1， 彭 磊1, 孙向阳1

(1. 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2. 西安交通大学，陕西 西安710049)

液压安全联轴器是一种新型的保护传动系统的装置，文章介绍了液压安全联轴器的结构原理、性能特点及选用方法，提供了校核算法，并针对某钢厂实际工况，在传动系统选用高速式法兰联结安全联轴器作为过载保护，精选型计算优化设计后，满足设计要求，为液压安全联轴器的选用提供了参考。

液压安全联轴器;结构原理;选用方法

0 前言

随着科学技术水平的提高，旋转机械不断向高速、轻型、高效、智能化发展，对大型旋转机械的设计、制造、安装、使用、维修和安全可靠运行提出了更高的要求。因此，对各类机械设备的传动系统，进行有效的过载保护及快速修复的功能，显得尤为重要。液压安全联轴器是把固定联接和转矩限制建立在同一个部件上并具有过载保护功能的一种新型联轴器，是各类摩擦联轴器中的一种型式。它能够准确、有效地防止过载引起的设备损坏，广泛应用于一切需要过载保护的机械传动装置中。

1 结构原理

液压安全联轴器的结构如图1中所示，其中联接套是液压安全联轴器的核心部件，其结构是一个密封的双层套筒。其工作原理如图2所示，在联结套内注入液压油，然后拧紧安全管，使液压油密封在联接套之中，在压力的作用下，联接套内壁、外壁均产生弹性变形，内套与轴、外壁与轮毂分别形成过盈联接，在摩擦力的作用下，即可传递与腔内液压力成正比的转矩。当实际传递的转矩大于该转矩时，联接套与轴之间会发生相对运动，固定在轴上的剪切环立即剪断安全管，使联接套中的液压油快速释放，联接套恢复弹性变形，联接套与轴脱离空转，中止转矩传递，从而起到安全保护的作用。恢复工作时，更换新的安全管，重新注入液压油便可继续工作。

图1 液压安全联轴器结构图Fig.1 The structure diagram of Hydraulic safety coupling

图2 液压安全联轴器原理图Fig.2 The schematic diagram of Hydraulicsafety coupling

2 性能特点

我国目前大部分机械传动设备上采用安全销或安全环式安全联轴器。由于销钉类似限转矩的元件会经常发生金属疲劳，导致了联轴器频繁而没有必要的松弛，从而造成生产损失。只有当销钉只受剪力作用时，销钉联轴器才能保证精确的转矩；发生过一些松弛后，销钉支座被磨损，纯粹受剪的前提就不存在了，这使得联轴器的极限转矩不可避免地降低，因此，常发生销钉断裂。而液压安全联轴器是通过摩擦力来控制传动转矩。因此，它不会发生金属疲劳。在图3(a)中两种联轴器的对比可以看到传递转矩高效可靠。在图3(b)中可以看到，液压安全联轴器传递的转矩和它腔内油压成正比，不但其传递的转矩可靠，而且预定转矩可调整且能持续。在图3(c)中的曲线可以发现，在设备过载时，液压安全联轴器快速释放腔内油压，因而能够安全可靠的保护设备。

图3 液压安全联轴器转矩图Fig.3 The torque diagram of hydraulic safety coupling

3 联接型式及应用举例

安全联轴器型式有多种联接方式，联接方式根据实际工况的需要进行设计，常见的有以下七种，见表1。

表1 液压安全联轴器联接型式

液压安全联轴器不但可以单独起联接作用，而且可以与诸如齿轮、链轮、轴及各种联轴器组合使用，广泛应用于冶金、矿山、建材、风电、高铁等领域。

特别是在冶金行业，传动系统通常具有重载、大扭矩，工况复杂多变等特点，液压安全联轴器能够有效的保证设备运转平稳、工作可靠、极大的提高设备的工作效率。同时液压安全联轴器自身结构具有很强的灵活性，可以应用于不同的场合，与其它传动件可以随意的组合使用，如图4所示。这样能很好的解决这些问题，提供高效可靠、维护方便且保养费用低的传动系统，不但使传动系统的传动效率大为提高、维护成本降低，而且对成套设备装机水平的提高也产生了积极的促进作用。

图4 液压安全联轴器应用举例Fig.4 The application examples of hydraulic safety coupling

4 液体安全联轴器的选型计算

液压安全联轴器的选型依据与安全滑动转矩、联接型式、工作环境等因素综合考虑。安全滑动转矩确定时首先明确液压安全联轴器的保护对象，然后确定保护对象的负载力矩。安全滑动转矩

TC=K·Tmax≤TS

(1)

式中，TC为计算滑动转矩，kN·m；Tmax为最大允许工作转矩，kN·m；TS为安全联轴器的滑动转矩，kN·m；K为系数，取K≈1.5～2。

用于齿轮、链轮及皮带轮联结时，由于径向力的存在，还必须满足

T≤2.9d2d0×10-6

(2)

与液压安全联轴器联结在一起的轴，其屈服点σS≥300 N/mm2。选用的安全联轴器须承受轴向力、径向力、弯矩等技术参数。当滑动速度不大于1.5 m/s时，应选用低速式液压安全联轴器，否则应选用高速式液压安全联轴器。

滑动速度

v= 5.2dn×10-5≤1.5 m/s

(3)

式中，v为滑动速度，m/s；d为滑动面直径，mm；n为工作转速，r/min。

当环境温度在0 ℃以下时，滑动转矩应相应降低，其降低值为：温度值每降低1 ℃，滑动转矩降低1.5%。

5 液压安全联轴器的选型校核

由于低速液压安全联轴器的结构中没有滚动轴承，轴套与轴在相对滑动时为滑动摩擦。为防止磨损过度或温度过高，其单位压力、工作时间应进行校核。若单位压力或工作时间超过要求时，为了保证使用寿命，应选用大规格或高速式液压安全联轴器。

滑动面单位压力：

(4)

(5)

式中，p为单位压力，N/mm2；Ft为松脱后径向力，N；d为滑动面直径，mm；L为滑动面接触长度，mm；

松脱后的最大允许工作时间

(6)

式中，tmax为最大允许工作时间，min；d为滑动面直径，mm；Ft为松脱后径向力，N；n为工作转速，r/min。

与安全联轴器联结在一起的轮毂，其外径da与内径di之比不低于表2的规定，否则应进行强度校核，其应力分布如图5所示，计算公式为

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，σar为径向应力，N/mm2；σat为切向应力，N/mm2；σav为有效应力，N/mm2；σS为屈服极限，N/mm2；p为油腔压力，一般为80～100 MPa；da为轮毂外径，mm；di为轮毂内径，mm；K为安全系数，一般为1.5～2。

表2 轮毂内外径比值

图5 应力分布图Fig.5 The map of stress distribution

6 应用举例

根据武钢轧钢生产线实际工况和空间大小，以及设备后续维护的要求，在传动系统选用高速式法兰联结安全联轴器作为过载保护,结构如图6所示。同时考虑到两端的同轴度要求，选择鼓形齿联轴器配套使用。根据液体安全联轴器的选型计算公式，预压力P0=16.120 MPa时，经优化设计后，得出压力与扭矩的计算结果如表3所示。

表3 液压安全联轴器静力计算

为验证计算结果的准确性，在专用的测试平台进行验证。利用图7所示测试台，将液压安全联轴器固定在测试台上，其上端法兰与扭力臂固定。预先给液压安全联轴器内注入一定压力的高压油，然后通过液压缸推动扭力臂直到固定在扭力臂上的剪刃切断安全管释压为止，记录此时的压力表读数。通过如下公式计算切断力矩。

T实际=1/4·∏·d2·Lp

式中，d为液压缸无杆腔缸径；L为扭力臂力臂长度；P为测试台测试压力即剪断时压力表读数。

根据计算所得的T实际与理论扭矩进行对照(理论扭矩就是预先注入的高压油对应的扭矩)并进行归纳校正，试验数据记录如表4所示。

图6 液压安全联轴器结构图Fig.6 The structural drawing of stress distribution

图7 测试平台Fig.7 Testing Platform

次数注压/MPa理论扭矩/N·m剪断压力/MPa计算扭矩/N·m偏差/N·m14099407141100010593250168131231806412509

经分析，由于液压筒体与轴套之间的间隙值为一个范围，所以液压安全联轴器预压有所不同；液压系统中的压力表量程过大，读数误差大；同时测试台强度不够，个别存在测试过程中出现憋压情况导致读表数值增大。结合理论计算结果发现扭矩偏差不到5 MPa，而在实际工作中过载扭矩往往是成倍的增加，所以仍然可以按照理论计算结果进行注压。

7 结束语

针对销钉类安全联轴器经常发生销钉断裂的情况，提出用液压安全联轴器来替代销钉类安全联轴器。对液压安全联轴器的机构原理、性能特点做了详细的介绍，列举了它的多种型式及与其他传动部件组合使用的方法，给出了选型计算的方法及公式，并介绍了为了防止磨损或温度过高时的选型校核计算。文章对液压安全联轴器的选型、使用、及维护提供了指导，也能促进液压安全联轴器的进一步推广。

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The introduction and selection calculation of hydraulic safety coupling

WU Liang1,2， HU Jue-fan1， WEI Zhi-yi1，LIU Yong1，WANG Xiao-peng1， PENG Lei1， SUN Xiang-yang1

(1.China National Heavy Machinery Research Institue Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China;2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China)

Hydraulic safety coupling is a new kind of protection of transmission device, It has many advantages,such as high efficiency and reliable, easy to install and disassemble, accurate setting torque and adjustable, 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.

hydraulic safety coupling; the structural principle; selection method

TH133.4

A

1001-196X(2016)04-0084-06

2016-01-05；

2016-03-20

吴量(1984-)，男，西安交通大学硕士研究生，中国重型机械研究院股份公司工程师。