了解下联轴器的基础知识

前言      联轴器是机械产品轴系传动中最常用的连接部件。其功能是:连接两轴共同回转以传递转矩和运动、补偿所连两轴相对位移和改善系统传递动力学特性。其应用范围...


前言

      联轴器是机械产品轴系传动中最常用的连接部件。其功能是:连接两轴共同回转以传递转矩和运动、补偿所连两轴相对位移和改善系统传递动力学特性。其应用范围涉及国民经济的总多领域,是品种多、使用量大的通用基础部件。随着科学技术的进步和生产的发展,机械产品的种类日增多,对其使用性能的要求也不断提高。为了适应各种不同工况的需要,要求有各种不同特性的联轴器,已获得预期的使用效果。

一、联轴器概述

1.1 联轴器的功能要求和分类

      机器由动力机—传动—工作机—控制器四个主要部分组成。联轴器是用来连接其中两轴或轴与回转体,以传递运动和转矩为基本功能的通用部件。
      联轴器(图1-1)的两个半联轴器1、2用轴毂连接固装在主、从动轴上,在用连接件3、4、5、6(刚体、弹性体)将两个半联轴器连接起来,形成刚性联轴器和挠性联轴器。前者只起连接两轴传递运动和扭矩,不具备其它功能。用金属或非金属弹性元件连接的两个半联轴器,分别称为具有金属弹性元件的挠性联轴器和非金属弹性元件的挠性联轴器,它们利用弹性元件的变形来补偿两轴线的相对偏移,同时具有不同程度的减震、缓冲和改善传动系统工作特性的功能。能起过载安全保护作用的称为安全联轴器。所有联轴器只能在停机状态下通过装拆才能使两半联轴器结合或分离。


图1-1球窝轴向限位挠性膜片联轴器

1/2:主/从动半联轴器   5:中间节   3/4:输入/输出端护套   6:膜片、螺栓组

      为了便于设计和选用联轴器,我国已制定了GB/T12458-2003《机械式联轴器分类》的国家标准。分类标准规定,其分类有以下五个层次:
1)类别:联轴器按其是否具有两轴线相对偏移的补偿功能和安全保护功能分为四类。
2)组别:联轴器按其补偿两轴线的相对偏移原理分为三组。
3)品种:联轴器按不同工作原理、结构、材料和特性来划分品种并命名。
4)形式:根据连接、安装、配套、安全、润滑等需要同一种联轴器结构不变的前提下,由基本型派生出不同的形式。
5)规格:根据联轴器的尺寸和其所能长期传递的公称转矩Tn,由小到大用阿拉伯数字排序。它们的类别、组别、品种和型号均用其汉语拼音字母为代号。

1.2联轴器的标记方法及其与轴的连接

联轴器和键连接时的标记方法如下:

      其中,1处为联轴器的型号、名称;6处为标准号;中间分子、分母上分别标注主、从动端的相应代号及尺寸;2处标注轴孔形式代号;3处标注键槽形式代号;4处标注轴孔直径;5处标注轴孔配合长度;若主、从动端的轴孔和键槽形式及尺寸相同时,则居中只标记一端,另一端省略不写。Y型轴孔、A型键槽的代号在标记中省略不写。
      若用矩形花键孔连接时,则2、3、4处按GB/T1144-2001《矩形花键》规定标记;用圆柱直齿渐开线花键连接时,2、3、4处按GB/T3478.1-1995规定标记;用胀紧套连接时,2、3、4处按JB/T7934-1999规定标记;油压装卸过盈连接时,因无键槽,故3处不标。
      例1-1:UL5轮胎式联轴器。主动端Y型轴孔,A型键槽,d1=28mm,L=62mm。从动端:J1型轴孔,B型键槽,d2=32mm,L=60mm。

     例1-2:CIICLZ4鼓形齿式联轴器。主动端:圆柱直齿渐开线花键孔,齿数24,模数2.5mm,30°平齿根,公差等级6级,L=107。从动端:J型轴孔,A型键槽,d=70mm,L=107mm。

      标记中的型号由组别代号、品种代号、形式代号和规格代号和规格代号组成;其中前三个代号取其名称的第一汉语拼音字母代号,如有重复时则取第二个字母,或名称中第二、三个字的第一、第二汉语拼音字母,或选其名称中具有特点字的第一、第二汉语拼音字母,以在同一组别、同一品种、同一形式中相互间不得重复为原则。规格代号则以其公称转矩系列顺序号表示。
      联轴器的公称转矩Tn是根据系列化要求设计每一规格联轴器所能长期传递的主要参数,其规格是按GB/T321-2005《优先数和优先系数》中R5、R10、R20;1系列的值[由(0.10~1.6)×106按R5排列]应优先于2系列的值[由(1.0~2.0)×106按R10排列],2系列的值又应优先于3系列的值[由(1.0~2.0)×106按R20排列]。公称转矩值应符合GB/T3507-1983的规定。
      联轴器的轴孔形式、连接形式及主要尺寸,主要取决于所连接轴的形式及尺寸。在进行联轴器选择时,以其传递扭矩的大小、结构和轮毂强度为依据,确定其轴孔形式、直径范围和轴孔长度,国外企业每一规格联轴器只有一种轴孔长度,以利于专业化生产,因为轴孔是与轴伸配套的,所以轴孔也应该符合轴伸标准GB/T756-1990,GB/T757-1993,GB/T1569-1990和GB/T1570-1990。
      联轴器的轴孔形式、与轴的连接形式及尺寸一般应遵照GB/T3852-1997的规定。
      联轴器的轴孔形式有七种,分别为长圆柱形轴孔(Y型)、有沉孔的短圆柱形轴孔(J型)、无沉孔的短圆柱形轴孔(J1型)、有沉孔的长圆锥形轴孔(Z型)、无沉孔的长圆锥形轴孔(Z1型)、有沉孔的短圆锥形轴孔(Z2型)和无沉孔的短圆锥形轴孔(Z3型)。
      联轴器轴孔与轴的连接形式有十一种,其中圆柱形轴孔有:单平键槽(A型)、120°布置双平键槽(B型)、180°布置双平键槽(B1型)、普通切向键槽(D型)、矩形花键(按GB/T1144-2001)、圆柱直齿渐开线花键(按GB/T3478.1-1995)、圆柱形过盈连接(U型)、阶梯圆柱形过盈连接(U1型)、胀紧套连接(Z2型、Z3型按JB/T7934-1999);用于圆锥形轴孔有:单平键槽(C型,锥度10:)、圆锥过盈连接(UZ型、孔锥度按JB/T6136-1992)。

1.3联轴器的类型选择及选择计算

      联轴器的类型选择就是根据机器工作的需要正确地选择联轴器联轴器的类别、品种及其结构形式。
      选择适合于某一传动系统的最佳联轴器并不容易,这是因为联轴器工作的好坏,除与其本身的结构、几何尺寸和特征参数有关外,还与其所处传动轴系的动力特性、载荷情况、安装和维护等因素有关。
      如何选择比较恰当的联轴器,是一个关系到整个机械的工作性能、使用寿命、维护和经济性的重要问题。选择联轴器时需要参考以下几方面因素。

1)联轴器所连接两轴的相对偏移

      联轴器所连接的两轴,由于制造和安装误差、受载和温差变形、运行磨损引起间隙以及两轴设计的特殊要求等因素导致两轴的相对偏移是难以避免的。因而,联轴器对相对偏移补偿能力是选型时首先要考虑的因素。刚性联轴器只适用于两轴能精确对中的场合;当所连两轴的相对偏移较大时应选用挠性联轴器,且应针对所连两轴相对偏移的性质(径向,轴向或角向)和大小,选用具有相应补偿能力的联轴器。表1-1给出了一些联轴器允许的两轴相对偏移量,供选型时参考。

      无弹性元件的挠性联轴器(例如鼓形齿联轴器)是借助中间运动副,使两半联轴器做相对运动来补偿相对偏移的,因而有一定摩檫、磨损和功率消耗,其工作性能与其润滑和维护条件有关,它具有较大的相对偏移补偿能力和承载能力,但无减震和缓冲能力。金属或非金属弹性元件的挠性联轴器,(例如膜片联轴器、弹性柱销联轴器)是利用中间弹性元件的弹性变形来使两半联轴器产生相对运动,以补偿两轴的相对偏移。其偿能力和承载能力均低于无弹性元件的挠性联轴器,但均有减振、缓冲能力,金属弹性元件的承载能力高于非金属元件,但减振、缓冲功能较差。(随着金属弹性元件材料的提升,目前金属元件的联轴器承载能力已大大提高)。

2)联轴器的载荷特性

      动力机到工作机之间,通过数个不同形式或规格的联轴器将主、从动端连接起来,形成轴系传动系统,动力机和工作机的机械特性(机械的力能参数T、P和相应运动参数ω、t之间的关系)对整个传动轴系有重大影响。动力机由于工作原理和结构的不同,均将使包括联轴器在内的传动系统所承受的载荷有很大的差异,因此有严重冲击载荷和长期波动载荷时,应选择具有缓冲减振功能的联轴器,以达到削减尖峰载荷和扭转振动以及调整系统固有频率、防止共振的目的。

3)联轴器的工作转速

      联轴器工作转速的大小直接关系到联轴器各零件的离心力和弹性元件变形的大小,过大的转速将会导致磨损增加、润滑恶化、连接松动。联轴器额需用转速范围是根据联轴器不同材料强度所允许的线速度和最大外缘尺寸,经计算确定的。不同材料、品种和规格的联轴器的许用转速范围不同,在高速运转时应选用平衡精度高的联轴器,如金属膜片联轴器、齿式联轴器等,而不宜选用非金属弹性元件的挠性联轴器,因为高速时非金属弹性元件会产生较大的非工作形变。

4)联轴器的传动精度

      对于精密传动和伺服传动,要求联轴器所连两轴在任何情况下均应同步转动,应选用刚性联轴器或金属膜片联轴器,大多数挠性联轴器的传动精度均低于刚性联轴器。

高速低弯矩全息动平衡联轴器

5)联轴器的外廓尺寸、安装和维护

      联轴器的外廓尺寸必须容纳在机组允许的安装和拆卸空间内。在满足使用要求的条件下,应选择制造工艺性好、装拆方便、调整容易、维护简单、更换易磨损件不需要移动所连两轴的联轴器。大型机组因难于调整所连两轴的对中精度,应选用寿命长、更换易损件方便的挠性联轴器。在高空、井下等不方便维护作业的场所或长期运转、不易停机的场所,应选用不需润滑或维护周期长、维护简便的联轴器,以减少非工作时间,提高生产效益。

矿井风机膜片联轴器

6)工作环境

      选择联轴器及其保护措施时必须考虑其工作环境,如温度、湿度、水、蒸汽、粉尘、酸碱、油、腐蚀介质和辐射等。在高低温、酸碱和腐蚀介质环境中,应选用金属弹性元件或者以尼龙、聚氨酯为弹性元件材料的挠性联轴器,而不宜选用以普通橡胶为弹性元件材料的挠性联轴器,前者耐腐蚀性、耐高低温、耐磨性和强度都高于橡胶,但弹性和阻尼性能不及橡胶。

      联轴器的品种、形式、规格和材料、制造工艺、精度和平衡等级的不同,其制造成本往往相差甚远。选用联轴器时,应根据具体工作要求,综合考虑上述几个方面的因素,选择合适的联轴器。

二、联轴器的安装与调整
      联轴器使用效果的好坏和寿命高低不仅与产品自身的性能有关,还与其安装和调整也有着密不可分的关系。恰当的安装及调整可使其充分发挥效能并长时间安全运行,否则将使其发生故障,甚至损坏,严重时还会危及到与其相连的原动机或工作机的安全。
      联轴器的安装一般包括轮毂在轴上的装配、两轴的对中与调整及自身内部连接,下面分别进行介绍。

2.1轮毂与轴的装配

1.静力压入法

      这种方法是根据装配时所需压入力的大小不同、采用夹钳、千斤顶、手动或机动的压力机进行,静力压入法一般用于锥形轴 孔。由于静力压入法受到压力机械的限制,在过盈较大时,施加很大的力比较困难。同时,在压入过程中会切去联轴器与轴之间配合面上不平的微小的凸峰,使配合面受到损坏。因此,只适用于传递载荷不大且采用键连接的轴和轮毂的装配,而不宜适用于过盈连接的场合。压装时的压入力P可由下式计算:

      式中dfLf—结合直径和长度,mm;μ—结合表面摩擦因数,见表2-1;δmax—最大过盈量;EaEi—分别为包容件和被包容件的弹性模量,MPa,见表2-2;dadi—分别为包容件外径和被包容件内经(实心轴di=),mm;v—泊松比,见表2-2:

2.动力压入法

      这种方法是指采用冲击工具或机械来完成装配过程,一般用于联轴器与轴之间的配合是过渡配合或过盈不大的场合。装配现场通常用手锤敲打的方法,方法是在轮毂的端面上垫放木块或其他软材料作缓冲件,依靠手锤的冲击力,把弹性膜片联轴器敲入。这种方法对用铸铁、淬火的钢、铸造合金等脆性材料制造的联轴器有局部损伤的危险,不宜采用。这种方法同样会损伤配合表面,故经常用于低速和小型联轴器的装配。

3.温差装配法

      温差装配法是指装配时采用加热轮毂使其膨胀或冷却轴使其收缩,从而形成配合面间间隙,将轴插入孔内实现装配。装配时加热或冷却可单独使用,亦可两者同时使用。这种方法不损伤配合面,装配时施力小,因此适用于重要连接或大型件装配。
      可采用油浴加热、蒸汽加热、火焰加热、加热炉加热及感应加热等多种方法加热轮毂。其中油浴加热温度一般不超过200℃,蒸汽加热温度不超过120℃,两者均适用于过盈量不大的连接件。火焰加热可采用氧气乙炔或丙烷,加热温度不超过350℃。该方法适用于局部加热和热胀尺寸要求严格控制的中、小型连接件。感应加热温度可达400℃,主要适用于特重型及重型过盈配合的大、中连接件加热。
      热装时应控制好工件的加热温度和时间。加热完毕,还应保温0.5~2h,工件尺寸较大时,保温时间还应适当长些。
热装时工件的加热温度可按下式计算:

      式中α—材料的线膨胀系数,℃-1,见表2-3;△1—配合过盈量,mm;△2—热装时的最小间隙,见表2-4;t0—环境温度,℃。热装后零件应采用自然冷却,不得急冷。冷却后零件与定位面间由于收缩而出现的间隙不得大于配合长度尺寸的0.3/1000mm。
      工件的冷却通常采用液氮、液氧冷却,亦可采用干冰及低温箱冷却。其中液氮的最低冷却温度可达-195℃,液氧的最低冷却温度可达-180℃,两者都适用于过盈量较大的连接件的冷却。干冰冷却的最低冷却温度可达-78℃,适用于过盈量小的小型件及薄壁件的冷却。
      低温箱最低冷却温度可达-140℃,一般适用于配合精度较高的工件冷却。

      冷却时的冷却温度及时间同样严格控制,以保证装配顺利,工件尺寸大时冷冻时间要长些,以便其能充分冷却。
冷却温度计算可按式进行:

冷却时间:

      式中δ—被冷却件的最大半径或壁厚,mm;k—与零件材质和冷却介质有关的综合系数;min·mm-1,见表2-4

      最后还应注意,操作时均应注意采取安全保护措施,以免烫伤。

4.油压装配法

      对于大型联轴器轮毂和轴的装配,通常还采用油压装配法。它是借助于高压油泵和专用工装,在轮毂和轴表面间送入高压油,从而使轮毂膨胀,进而逐渐将轴和轮毂压装在一起。操作过程中,加压和推进可交替进行,直至全部装入。装配前应注意用干净白布和高压油将配合面和油腔清理干净,以免因遗留有杂质或污物进入配合表面,影响装配质量。
      油压装配中的连接共包括了圆柱连接、圆锥连接和圆锥中间套连接等几种情况,分别如图所示:

油压连接形式

      (a)、(b)所示的圆柱连接是最为常用的连接形式,它一般是采用温差装配,油压拆卸。拆卸时使用高压油导入结合面,使包容件和被包容件间行程间隙,然后借助外力,使包容件分离。其中(b)所示的阶梯形轴径的圆柱连接,拆卸时高压油起到增大包容件内径和轴向推离的双重作用,因而具有自卸能力,故应用较为普遍。
     (c)、(d),其中(c)中带有密封环。不同于圆柱连接,圆锥连接可以利用高压油装配和拆卸。
     (e)所示为轴和中间套的内孔为圆柱面连接,中间套外锥面和锥孔是圆锥面连接。这种连接方式可进行多次重复装拆,中间套作为易损件来更换,其装拆方法和一般圆锥连接装拆方法相同。
      对于圆柱形及圆锥形连接的油压值可根据不同的相对过盈量δ及包容件外径与内径之比D/d,直接由表2-5查取。
基本油压值亦可按下式计算:

       根据连接件刚性大小,装配时的油压可较上述基本油压值加大(15~25)%,以便装配更为顺利。拆卸时油压应更大些,一般可增加(16~40)%,但注意最大油压值均不得使连接件产生塑性变形。

      对于采用圆锥中间套连接时的油压值,其轴向压入力由下式计算:

F=1000πdbp(μ+K/2)=KFdbp(kN)

      式中 b—中间套的宽度,m;P—最大油压,MPa;d—轴孔直径,m;K—锥度;μ—油膜摩擦因数,一般取0.015~0.045;KF—压入力系数。

5.胀套装配法

      对于轮毂和轴采用胀紧套连接时,首先应将结合表面清洗干净,保证无污物,无腐蚀及无损伤,并同时在胀套表面和连接件的结合表面上,均匀地涂一层不含二硫化钼添加剂的薄润滑油,在把轮毂推移到轴上设计规定的位置后,将拧松螺钉的胀套平滑地装入连接孔内,在保证连接件不歪斜的情况下,用手将螺钉拧紧。拧紧胀套螺钉时用力矩扳手先后分三次以规定力矩的1/3、1/2、1按对角、交叉、均匀地拧紧,最后以规定力矩检查全部螺钉。

2.2联轴器的对中

1.对中的意义及允许偏差

      联轴器所连接两轴的对中,也称找正。轴的准确对中,可使整个传动系统运行平稳,不会产生异常振动、噪声和异常磨损,也不会产生不正常的附加载荷,这对确保系统安全可靠运行,尤其是对高速回转轴系,具有十分重要的意义。

轴系对中的四种情况

      事实上任何轴系的安装都会存在不可避免的误差,一般两连接轴的安装偏差可概括为四种情况,即理想对中和存在着径向、角向偏差及径向与角向负荷偏差。

      实际安装时应使两轴的径向及角向偏差越销越好,这主要是考虑到设备运行过程中不可避免地存在着如基础下沉、各部件的不均匀热膨胀、轴的弯曲、零部件的磨损等各种情况,这些都会对轴系的对中产生不利的影响,因此安装时控制径向及角向安装偏差,一般可将其控制在允许偏差的1/8~1/3,这将会为运行过程中产生新的偏移留下一定的补偿空间,从而确保运行时两轴仍能对中良好并安全运行。
      对于一些高速的回转轴系或发热量比较大、两侧热膨胀量差别比较大的轴系,如果冷态安装时按零偏差对中,那么实际运行时两轴将会产生明显的不对中。因此这种情况下,一般应事先测出或算出工作状态时两端的热膨胀量之差,在冷态调整时预留好这一差值,以使其热态运行时能正常对中,从而保证轴系在热态运行时的安全性。

2.对中的方法及测量

      两轴对中的方法多种多样,根据轴系工作转速的高低、联轴器类别的不同可分别采用不同的方法。
①利用直尺测量联轴器的同轴度误差,利用塞规测量联轴器的平行度误差。这种方法简单,但误差大。一般用于转速较低、精度要求不高的机器。
②用百分表找正队中。采用百分表进行找正对中的方法有许多种,例如单表法、双表法、三表法等。这里介绍一种操作简单,读数、数据处理及调整都很方便,且对中效果也很好的双表法。它是在基准轴和被调轴的轮毂法兰上各安装一块百分表,根据测量的径向跳动量来判断两轴的对中情况并进行调整,其测量步骤如下:

a.选取测点。将粗调好的两半轴轮毂法兰圆柱面上等分为四个测点,分别用a1、a2、a3、a4及b1、b2、b3、b4表示相应各点的测量值,其中a表示基准轴上的测值,b表示被调轴上的测值,如图:

b.安装百分表。将百分表安装固定在基准轴和被调轴的半联轴器上,表架应有足够刚性,安装要牢固。安装完之后,对百分表进行调零。注意水平对中时,基准轴上百分表在右方调零,被调轴上千分表在左方调零。而垂直对中时,基准轴上百分表在上方调零,被调轴上千分表在下方调零。
c.测量。同时转动两半轴180°,测得a1~ a4及b1~ b4。
d.检查表架刚性。表架刚性直接影响到测量结果的准确性,进而影响对中精度。因此正式测量前,应对表架刚性进行检查,一般应满足a1+a2≈a3+a4及b1+b2≈b3+b4。如果误差大于0.05mm,则应加强表架刚性。
e.其它数据测量。测量两百分表测头间距离c,测量背调轴上的百分表测头到被调轴前支承和后支承的距离f1和 f2。

      由于通常对中时一般是先水平后垂直,因此a1、a2和b3、b4通常取为零,这样便可以用A表示a3、a4测量值,B表示b1、b2测量值,据此可以判断出被调整方向和调整量,分别见表2-6~表2-8。