装船机悬臂联轴器国产化设计及制造

张 楠

（唐山曹妃甸煤炭港务有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

唐山曹妃甸煤炭港务有限公司设计有5 个专业化煤炭装船外运泊位，包括5 万DWT 泊位1 个、7 万DWT 泊位2 个、10万DWT 泊位2 个。码头设计年运量为5000 万吨。

目前港区布置有4 台德国蒂森-克虏伯品牌的移动非回转式装船机，包括有走行、尾车、伸缩、俯仰、悬臂、溜筒等机构，俯仰工作角度为-12°～+15°，悬臂皮带带宽2200 mm，其额定运输能力为6000 t/h，输送煤能力优越。

装船机悬臂机构上布置有双驱动装置，包括电机、减速机、联轴器、制动器。其中联轴器为进口品牌，价格昂贵，供货周期长达半年，且内部配件无法单独购买。为了减少备件费用支出，充分响应“降本增效”的号召，缩短备件采购周期，确保现场备件充足，对联轴器进行国产化设计制造[1-3]。

在联轴器设计及制造过程中，以国标为设计依据，充分考虑其配件的互换性，为以后备品备件的改进提供了依据。采用有限元分析软件对设计的联轴器进行应力校核[4-5]，表明新型联轴器可以满足实际使用要求。国产制造的联轴器大大降低了成本，并在实际中取得了应用。

1 悬臂联轴器国产化设计

1.1 现用进口悬臂联轴器结构

唐山曹妃甸港务有限公司现用SL1、SL2 装船机原装联轴器类型为弹性梅花联轴器，梅花软连接“花瓣”采用椭圆形，其许用转速为1850 r/min，最大转矩为7200 N·m，半联轴器及梅花软连接结构如图1 所示。

图1 梅花软连接结构

1.2 悬臂联轴器国产化设计

国产梅花软连接的“花瓣”为圆形（图2），与现场使用的软连接椭圆形“花瓣”不一致，无法通过直接选型的方式进行国产化替代。通过查阅资料，国标联轴器整体尺寸也与现场实际不符，需要对联轴器进行非标设计。

图2 国产弹性梅花联轴器软连接结构

联轴器转矩计算公式为：

其中，T 为理论转矩；Pw为驱动功率；n 为工作转速；Kw为动力机系数；K 为工况系数；Kz为启动系数；Kt为温度系数；Tn为公称转矩。

悬臂驱动电机铭牌标注，Pw=200 kW，n=1486 r/min。对于电机，动力机系数Kw=1.0。查表可知工况系数K=1.5，启动系数Kz与启动频率f 有关，装船机悬臂启动频率f＜120 次/h 时，Kz=1.0。环境温度在-20～30 ℃时，温度系数Kt=1。将上述参数代入公式（1）中计算可得：Te=1928 N·m。因此，设计的联轴器额定转矩要大于1928 N·m，方可满足实际需求。

悬臂电机轴直径为80 mm，悬臂减速机轴直径为70 mm，由国标GB/T 5272—2002《梅花形弹性联轴器》，查找大致符合要求的联轴器型号，发现LMZ9-I-400 型基本符合要求[6]。据此对半联轴器端面进行尺寸设计，安装尺寸参考现有进口联轴器，确保满足现场安装尺寸需求。

设计国产联轴器，并采用Solidworks 软件绘制的三维爆炸图（图3、图4）。

图3 国产联轴器装配图

图4 国产弹性梅花联轴器爆炸图

2 有限元分析及应力校核

采用Solidworks 软件中的Simulation 模块对设计的国产联轴器进行仿真分析（图5a））。对半联轴器进行网格划分，单元总数为44 718，节点总数为70 366（图5b））。半联轴器承受电机轴作用在键槽和套筒处的扭矩以及梅花软连接对金属爪的反作用扭矩。由于原进口联轴器的许用扭矩为7200 N·m，远大于计算值1928 N·m，所以对标进口联轴器载荷数值，施加7200 N·m扭矩进行应力校核（图5c））。对套筒圆柱面施加扭矩，在梅花软连接处对联轴器金属爪反作用面施加约束（图5d））。

图5 半联轴器三维仿真模型

设计的联轴器材料选用45#钢，将材料属性输入到有限元分析模型中（表1）。

表1 45#钢材料属性

经仿真计算，得到半联轴器的等效应力云图（图6）。其中，最大应力位于金属爪根位置，最大应力值为231 MPa，远小于所用材料的屈服强度335 MPa。因此设计的新型国产联轴器符合实际使用要求。

图6 半联轴器等效应力云图

3 国产联轴器制造及应用

根据上述设计制造国产化联轴器，并进行现场试装。该联轴器安装尺寸匹配，运转平稳，能够替代原有进口联轴器（图7）。

图7 国产联轴器

国产化后的联轴器制造费用仅为1600 元，而原进口联轴器采购费用高达18 996 元，国产制造成本仅为进口联轴器的8.4%，大大降低了备件成本。该联轴器易损件梅花软连接采用国标规格，采买方便，极大缩短了供货周期，并实现与现场其他联轴器的软连接互换，减少备件种类，简化设备管理。

4 结束语

本文依据国标和现场实际需求，设计一种新型非标梅花联轴器，该联轴器尺寸参数能够满足装船机悬臂驱动安装配合需求。利用Solidworks 软件进行三维建模，并通过Simulation 模块进行有限元分析，仿真结果证明设计满足强度要求，验证了设计的可靠性。对设计的联轴器进行加工制造，并投入实际应用。国产联轴器成本仅为原进口备件的8.4%，有效降低了备件费用。并采用国标软连接，供货周期短，通用性强。