聯軸器在煤礦機械設備中的研究和應用

胡勇

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006）

1 前言

隨著我國礦產資源開采向著機械化和智能化的方向快速發展，煤礦傳統的人工開采逐漸被機械開采所取代，機械化程度越高，工人勞動強度越低，采掘效率越高。但裝備制造技術的制約及礦井復雜惡劣的自然條件的影響，使設備的可靠性和使用壽命受到了嚴苛的考驗，而作為機械傳動的樞紐，聯軸器的使用和發展必將影響和制約礦用機械設備的使用和發展【1】。它不僅起到連接工件的作用，更是起到傳遞扭矩的作用。然而地質條件的惡劣，加上機械結構設計的多樣性和復雜性，聯軸器如果沒有正確地設計、選型和使用，便不能充分發揮其傳遞扭矩的作用，引起設備故障頻發，造成設備停機，給檢修人員帶來不必要的工作負擔，嚴重時影響煤礦的生產，甚至造成人員傷亡，給煤礦采掘帶來不可估量的損失。因此對各類型聯軸器深入研究探索就顯得十分必要。

2 聯軸器故障成因

連軸器的形態多樣，使用環境和工況存在很大差異，因此在不同的工作場合，其使用壽命也不盡相同。由于聯軸器起連接和傳遞扭矩的作用，瞬間沖擊是導致聯軸器損壞和發生故障的直接原因。當負載過大或者瞬時沖擊力過高時，該扭矩將直接作用在聯軸器上，造成聯軸器的損壞。同時，在加工制造過程中，如果聯軸器輪齒表面滲氮處理不充分，引起輪齒硬度不均勻，也易發生斷裂或脫落等損壞現象【2】。

聯軸器作為連接元器件，根據連接形態和用途主要分為剛性聯軸器、撓性聯軸器和安全聯軸器，見表1。

剛性聯軸器連接要求極高，需要被連的兩個工件軸線必須保證在同一軸線上，對工件的加工精度要求比較高。由于沒有緩沖特性，剛性聯軸器經常出現打齒、花鍵被沖擊力剪切的現象。如果安裝座發生變形導致安裝軸線發生偏移，或兩軸心不在同一軸線上，聯軸器拆裝將十分困難。撓性聯軸器能夠補償位移差值，同時兼顧緩沖和減震功能，被廣泛應用在各種機械設備部件的軸向連接上傳遞扭矩。由于存在位移補償，必定有一定的安裝間隙，因此撓性聯軸器存在的故障主要是花鍵、輪齒的磨損，尤其是彈性元器件的磨損。安全聯軸器的主要功能是過載保護，當負載力矩大于設備扭矩設定值時，聯軸器損壞，從而保護工件不受損壞。

3 煤礦機械常用的聯軸器

3.1 凸緣聯軸器

凸緣聯軸器如圖1 所示，它是一種固定式剛性聯軸器，其特點是結構簡單，制造方便，要求連接的兩個工件具有相同的瞬時轉速，同時對工件的加工精度和安裝精度有很高的要求。受到負載作用導致工件變形以及溫度變化等因素引起兩軸的相對位置變化時，往往不能保證嚴格的對中，給聯軸器的拆裝帶來極大的困難。因此，選用凸緣聯軸器，必須要保證所連接工件的加工精度和安裝精度要求，保證所連接的兩個工件有較高的同軸度，以免產生附加動載荷[3]。

圖1 凸緣聯軸器

3.2 套筒聯軸器[4]

作為一種剛性聯軸器，套筒聯軸器經常被應用到機械設備的各種場合。套筒聯軸器的工作原理與凸緣聯軸器類似，實現的目的是將兩個同軸線的工件通過剛性連接，達到傳遞扭矩的作用，如圖2 所示。套筒聯軸器無法補償兩軸線的位移差，也不具備緩沖和減震的特性。

圖2 套筒聯軸器

3.3 齒輪聯軸器

齒輪聯軸器屬于可移動式剛性聯軸器，由內齒、凸緣的外套筒和帶有外齒的內套筒幾部分組成,如圖3 所示。齒輪聯軸器經常應用到煤礦機械的各種領域，比如掘進機截割電機和截割減速器之間的連軸器就是齒輪連軸器，它的優點很多，比如傳遞扭矩值大，拆卸方便，安裝簡易。這種聯軸器有齒輪的存在，需要潤滑劑對齒輪進行保養，從而延長其使用壽命。齒輪聯軸器發生故障的原因主要是潤滑油的缺失或不足，以及軸向位移差過大，超過了聯軸器的補償范圍，從而造成局部受力磨損或產生附加力矩，影響聯軸器的正常運行，造成齒輪磨損、斷齒直至不能工作[5]。

圖3 齒輪聯軸器示意圖

3.4 彈性聯軸器

彈性聯軸器帶有彈性體（見圖4），能夠運用平行或螺旋切槽系統來適應各種偏差，精確傳遞扭矩。彈性聯軸器的優點主要有：可實現零回轉間隙同步運轉；具有較高的扭矩剛性和靈敏性；可補償各種徑向、軸向及角度偏差；具有免維護和抗油污抗腐蝕特性；具有減震和緩沖特性。由于優勢明顯，在很多步進、伺服系統的實際應用中，都能用到彈性聯軸器。文獻[6]詳細分析了某種發電機組用彈性聯軸器出現的撕裂故障，對選型、制造質量、對中超差以及轉速波動等可能影響聯軸器損壞的影響因素進行了分析，為彈性聯軸器的選型和故障分析提供了參考。

圖4 彈性聯軸器示意圖

3.5 萬向聯軸器

在機械設計制造過程中，一些扭矩可能需要向不同的方向進行傳遞，或者在設計過程中，由于布局位置的局限性，兩個工件間的扭矩傳遞不在同一軸線上，就無法再選用別的聯軸器，需要用到一種特殊的聯軸器：萬向聯軸器。圖5所示為十字軸式萬向聯軸器[7]。

圖5 萬向聯軸器示意圖

萬向聯軸器一般由傳動軸、萬向十字軸和叉型接頭等組成。圖5 中傳動軸1 將扭矩通過萬向十字軸2 與叉型接頭3 連接，并通過另一個萬向十字軸的連接和傳遞作用，最終將扭矩傳遞給傳動軸4，從而實現了扭矩的傳遞。萬向連軸器最主要的特點就是具有較大的角度補償能力，能夠改變扭矩的傳遞方向，其結構緊湊，傳動效率高，可實現5°-45°之間角度連接。在實際應用過程中，萬向聯軸器根據傳遞的扭矩大小分為輕型、中型和重型。目前，在汽車行業、農業機械、工業機械等運動機械上大量使用萬向十字軸式聯軸器。由于廣泛應用，絕大多數萬向聯軸器已經逐漸規格化或標準化，設計者可直接根據所需環境選用。選取萬向聯軸器主要考慮的因素包括：（1）傳遞扭矩的大小和性質以及對緩沖減振功能的具體要求；（2） 兩工件軸心相對位移的大小和方向；（3）聯軸器的可靠性和使用環境；（4）傳遞轉速的高低和引起離心力的大小等。

3.6 安全聯軸器

安全聯軸器作為一類特殊的聯軸器，其結構形態與普通聯軸器類似，不僅能實現兩工件間的連接和扭矩傳遞的作用，更能保護工件不受過高負載的損害。在礦用機械領域，安全聯軸器的應用會極大保護機械設備不受損壞，保障生產接續順利進行[8]。其主要工作原理是：當連接的主動件和從動件所傳遞的扭矩或承受的負載力矩過大，超過了聯軸器扭矩設定值時，安全聯軸器就會以打滑的形式限制傳動系統所傳動的扭力，當過載情況或故障情況消除之后，安全聯軸器又會自行恢復聯結。這就防止了設備損壞，避免了更加嚴重的停機損失或機械損壞。但在安全連軸器的設計和選型上，也要根據實際使用情況合理應用，避免因聯軸器本身的設計問題導致機械故障[9]。

僅使用了機械式的力矩限制器就能快速切斷主動件和從動件之間的聯系，避免過載，保護工件不受損壞，安全聯軸器存在諸多優點：（1）力矩控制范圍寬，控制精度高；（2） 具有定轉矩特性，不會隨外界因素改變；（3）在潤滑差的情況下能夠傳遞一定扭矩，無沖擊、振動、噪聲，運行平穩；（4）結構簡單體積??；（5）過載能夠預警和保護；（6）重新連接后可保持原始位置不變。

4 結論

不同的應用場合，選用聯軸器時需要綜合考慮以下影響因素：使用工況、安裝空間、傳遞扭矩的大小、傳遞扭矩的方向、是否考慮過載預警和保護以及制作成本等。例如在煤礦機械領域，采煤機的截割機構在設計時已經做到高精度的同軸度，同時要求傳遞的扭矩值很高，這時就可以選用齒輪連軸器或套筒聯軸器；在農業機械和汽車領域，由于傳動跨距大，扭矩傳遞方向可能發生變化，扭矩傳遞值不必和礦用采掘機械一般高，可以選用萬向聯軸器；在機床應用等某些需要應用到過載保護和預警的場合用安全聯軸器。

本文列舉了常用的幾種聯軸器，分析了各類聯軸器的使用場合和各自優缺點，為煤礦機械設備聯軸器的選型和設計提供依據，同時也為非煤機械設備提供參考。