一种钢球式安全联轴器安全单元的设计与调整

白焱

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

试（实）验研究

一种钢球式安全联轴器安全单元的设计与调整

白焱

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

为了解决矫正机用钢球式安全联轴器设计与调整问题，对钢球式安全联轴器的核心部件——安全单元进行力学分析与设计计算，得到了安全单元的普遍设计公式。设计公式为安全联轴器的设计提供了理论支持。通过对制造安全联轴器的现场使用、调整，验证了设计的正确性。

安全联轴器 安全单元 设计计算 调整

钢球式安全联轴器用于机械设备动力传动系统中，当载荷超限时，安全联轴器两端能够及时脱开，有效保护整机，减少过载带来的损失，提升设备安全性能。因其具有限矩准确、脱开力矩可调、复位简便、使用寿命长、润滑保养方便等优点，在冶金行业得到了广泛的应用。目前国内多采购德国M.A.T.公司、KTR公司和英国AUTOGARD公司等安全联轴器，价格高昂，维修周期长，不仅为生产带来诸多不便，也制约着我国制造业基础件的发展。研制国产钢球式安全联轴器，是工信部“强基”工程的体现。对于降低成本，提升我国制造实力具有重要的意义。

该联轴器的设计难点在于安全单元的设计。由于国内安全单元设计尚不成熟，安全单元脱开转矩的调整也没有准确的理论依据，因此，国产安全联轴器产品较少。攻克安全单元的设计难关，完善安全单元设计理论，对于安全联轴器国产化，具有奠基性的意义。

1 工作原理

图1为一种用钢球式安全联轴器的矫正机。正常工况下，联轴器依靠圆周分布的安全单元传递转矩；过载时，安全单元自动脱开，联轴器左右部分分离，矫正机动力切断，实现过载保护功能。停机将全部安全单元复位后，该联轴器可继续正常使用。

图2为安全联轴器的核心部件安全单元。过载时，安全单元的脱开，大钢球5对轴7的压力超过某值，圆周范围均布的小钢球12向外侧位移，轴7右移，大钢球5与止推块4脱开，实现过载保护的功能。停机后安全单元复位过程为将安全单元左右部分对准，轻击轴7外侧，轴7回到脱开前位置，安全单元复位。若在使用过程中，可根据A处表盘转矩值，旋转轴7，将全部安全单元刻度调至表盘某转矩值，联轴器即可在该转矩下脱开。

图1 一种用钢球式安全联轴器的矫正机

图2 安全联轴器的核心部件安全单元

2 设计计算

矫正机用钢球式联轴器的设计调整关键在于安全单元的设计，而安全单元设计则需要对安全单元各零件建立力学模型，对其进行受力分析并准确计算。

2.1 相关零件受力分析及力学方程

安全单元脱开的瞬间，按理想情况考虑，分别研究大钢球5、小钢球12、轴7、弹簧压板11的受力情况，自身质量忽略不计。

2.1.1 大钢球5的受力状况及力学方程

大钢球5的受力状况如图3所示。其中，F1为脱开瞬间定位套6对大钢球5的压力，F2为与止推块对大钢球5的压力，F3为轴7对大钢球5的压力。μF1、μF2、μF3分别为F1、F2、F3压力下对应大钢球5受到的摩擦力，一般按最大静摩擦考虑。方程如下：

图3 大钢球5的受力状况

2.1.2 小钢球12的受力状况及力学方程

小钢球12的受力状况如图4所示。其中，F4为轴7对小钢球12的压力，F5为弹簧压板11对小钢球12的压力，F6为顶板13对小钢球12的压力。μF4、μF5、μF6分别为F4、F5、F6压力下对应小钢球12受到的摩擦力，一般按最大静摩擦考虑。方程如下：

图4 小钢球12的受力状况

2.1.3 轴7的受力状况及力学方程

轴7的受力状况如图5。其中，F3'、F4'、μF4'分别与F3、F4、μF4为作用力与反作用力，大小相等，方向相反。F4'与μF4'均为圆周方向的力，竖直方向合力为0。

图5 轴7的受力状况

2.1.4 弹簧压板11的受力状况及力学方程

弹簧压板11的受力状况如图6。其中，F为碟簧9对弹簧压板11的压力，F5'、μF5'分别与F5、μF5为作用力与反作用力，大小相等，方向相反。F5'与μF5'均为圆周方向的力，竖直方向合力为0。

图6 弹簧压板11的受力状况

2.2 零件工作状况

2.2.1 安全联轴器转矩计算公式

安全联轴器含n个安全单元，安全单元在联轴器上的分布直径为D，工作状态下，若承受大小为M的转矩时脱开，可得到以下关系：

2.2.2 碟簧计算公式

若安全单元中含n'片碟簧，单片碟簧的刚度为k，压紧螺母8从碟簧自由状态拧紧到对碟簧压力为F时的位移为x，则：

2.3 计算结果

综合力学方程（1）—（9），可得：

设角度系数，A：

则F=AF1，结合零件工作状况，可得最终关系为：

式中：x为压紧螺母8从碟簧自由状态拧紧到脱开力矩所需位移，mm；A为角度系数，由设计给定零件角度α、θ、γ、δ和摩擦系数μ共同确定；n'为碟簧片数；n为安全单元个数；k为单片碟簧刚度，N/mm；D为安全单元分布半径，mm；M为脱开转矩，kN·m。

利用式（14）可直接指导安全单元的设计。根据式（14）计算和实际情况可确定与大钢球5和小钢球12相接触的面的角度、碟簧片数、螺母厚度、各零件尺寸等一系列安全单元重要参数，完成对安全单元的设计，继而完成对整套安全联轴器的设计。

3 脱开力矩调整

出厂时安全单元需调至用户要求脱开转矩，使用过程中也可按需调整脱开转矩。调整脱开转矩的依据本质上是对安全单元表盘的设计。利用式（14）求得压紧螺母8调至脱开转矩时所需位移后，结合安全单元设计尺寸，可确定螺母8出厂位置，再结合螺母8螺距，简单计算即可确定轴7旋转一周脱开转矩值的变化量，继而制作脱开转矩表盘。表盘如图7所示。使用时，联轴器全部安全单元需调至同一脱开转矩度数。

图7 表盘（单位：kN·m）

4 制造实体

根据安全单元的设计计算公式，制造了钢球式安全联轴器实体，如图8所示。应用于矫正机，现场使用反馈良好，验证了钢球式安全联轴器安全单元设计计算结果的正确性。

图8 钢球式安全联轴器实体

（编辑：苗运平）

Design and Adjustment of Safety Unit in Steel Ball Safety Coupling

BAI Yan
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

In order to solve the issues of design and adjustment of steel ball safety coupling in straightening machine, the mechanical analysis and design calculation for safety unit-the key component of steel ball safety coupling are carried out.The general design equation for safety unit is derived.It is demonstrated that the design equation can be used as the theoretical support for the design of steel ball safety coupling.The validity of design is verified through manufacturing,employment and adjustment in site.

safety coupling,safety unit,design calculation,adjustment

TG333.17

A

1672-1152（2017）03-0033-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.14

2017-02-24

白焱（1991—），男，山西省兴县人，2012年毕业于吉林大学机械工程及自动化专业，工学学士学位，助理工程师，现从事标准化与标准件的研究和非标联轴器的设计工作。