刘贤文

（广东省广州市机电技师学院，广东广州 510435）

0 引言

连续轧钢分厂精整区的快速链传送机构主要功能是筛选非标准尺寸长度的螺纹钢材，快速链传送机构如图1 所示，由分离链、液压马达、快速链、传动轴及夹壳联轴器等组成。分离链将标准尺寸螺纹钢材送入快速链后落到打包区，非标准尺寸钢材落入非标准标尺寸输送滚道。生产中快速链传送机构传动轴的夹壳联轴器出现周期性联接失效问题故障，在夹壳联轴器联接的螺孔有被挤压现象和螺栓断裂故障问题，给生产造成严重的影响。

图1 快速链传送机构

1 夹壳联轴器联接部位受力的分析

1.1 故障现象

夹壳联轴器的结构如图2 所示，由上夹壳、下夹壳、8 支内六角螺丝组成。在轴传动中夹壳联轴器传递了液压马达提供传矩力，液压马达排量2.5～3600 cm3/r，经过减速后输到传动轴的转速100～1000 r/min，最快速度时外缘的线速度约4 m/s。经查机械设计手册，当轴直径D=80 mm 时，夹壳联轴器许用转矩为2650 N·m，许用转速2650 r/min，螺栓为M16×70 mm[1]。夹壳联轴器联接的内六角螺丝直接与下夹壳的机攻螺纹牙联接，当设备在生产的过程中夹壳联轴器出现周期性的螺纹联接松脱，部分螺纹塑性变形和内六角螺丝疲劳断裂，如图3 所示。同时伴随螺丝和孔壁的贴合面被压溃，损坏了夹壳联轴器螺孔。

图2 夹壳联轴器的结构

图3 螺丝断裂

1.2 内六角螺丝拧紧力矩分析

夹壳联轴器内六角螺丝预紧力F0与壳联轴器的转矩有一定正比关系。当夹壳联轴器许用转矩达2650 N·m 的时，在螺纹联接体中就要施加大于2650 N·m 的拧紧力矩。在单个螺栓上的预拧紧力为[2]：

式中 Kn——可靠性系数，取1.2～1.5

M——拧紧扭矩，N·m

μ——联接摩擦副的摩擦因数，0.1～0.16

Z——螺栓数量

F——拧紧力，kN

D——传动轴直径，mm传递的轴向力[2]：

在设计上选取拧紧力F0≈（0.5～0.7）σs×As，安全系数为1.2以上。对于夹壳联轴器螺栓既受剪和拉力，传递转矩时还承受突变载荷，采用8.8 级高强度的内六角螺丝，可以增加拧紧力F0≈0.75σs。查机械设计手册，M16 的8.8 级螺栓的屈服强度σs≥800 MPa，得出拧紧力F0≈94.2 kN，拉伸力72.1 kN[1]。在螺纹联接体中施加在螺丝上的许用拧紧力矩大于一倍以上夹壳联轴器工作承受的力矩，消除了夹壳联轴器内六角螺丝的拧紧力不足引起螺纹联接松动的隐患，同时螺丝转矩力也大于工作时的拉应力和扭转剪应力。

1.3 配合面摩擦力矩分析

夹壳联轴器许用转矩与联轴器配合面的摩擦力矩对联接螺栓寿命成正比。联轴器配合面的摩擦力矩：

式中 f——配合面的摩擦系数，一般为0.1～0.2，取0.15

F0——螺栓的预紧力，N

Z——螺栓数目

d——轴的基本直径，mm

L——联轴器的长度，mm

联轴器拧紧转矩和联轴器的配合面摩擦力矩大于夹壳联轴器许用转矩，为2650 N·m。

2 夹壳联轴器内六角螺丝故障机理

反复冲击下夹壳连轴器六角螺丝头相对于螺栓的切向滑动，内六角头与给合因受冲击和材料被挤压，结合面产生的摩擦力减小，内六角螺丝开始产生摆动，F 径向力作用下与螺孔相接触螺丝相互摆动产生剪切力，松动后受杠杆力长时间摆动力作用，在螺丝孔的边缘处是受力支点，螺纹受应力而断裂。

2.1 内六角螺丝松动机理

夹壳联轴器两夹壳依靠拧紧内六角螺丝夹紧，紧压在被联接两轴的表面间的产生压力P，实现两轴的联接传递转矩T，带动相邻轴的旋转，压力P 的大小由夹壳联轴器的内六角螺丝的拧紧力矩决定的。如图4 所示，当夹壳联轴器承受轴向拉或压载荷时，轴的转矩载荷力集中转为六角螺丝的F剪切力，在F剪切力的作用下六角螺丝的螺纹副间将有相对滑动趋势，并导致联接松动，甚至出现六角螺丝松脱。

图4 螺纹受力分析

2.2 内六角螺丝断裂机理

液压马达正反转输出力矩时夹壳联轴器受到横向即与螺栓轴线垂直的方向如图4 所示，六角螺丝既受F剪切力和F拉力。这些力是由液压马达输出的力矩与链条导轨的摩擦力、钢材重力、钢材与盖板摩擦力等合成力时，在反复冲击下夹壳连轴器六角螺丝头相对于螺栓的切向滑动很容易产生振动，随着振动载荷的振动频率增大、六角螺栓副间的摩擦因数减小甚至到零，破坏了螺纹自锁条件而有微量的相对滑动，导致螺母自动回转松动，夹壳联轴器出现周期性螺丝断裂的故障。

3 夹壳联器技术改造

螺纹联接防松的实质，在于防止工作时螺栓和螺母的相对转动，改变夹壳联轴器联接部位的结构形状，如图5 所示。通孔外六角螺栓联接增大被联接件承受部分压力，螺旋副和被联接件接触表面的摩擦力增大，防止了摩擦力下降至造成松脱的临界值。螺栓集中承受拉力不变，改造消除了螺栓在螺丝孔的边缘处是受力支点力作用，在螺母压紧弹簧垫圈后，在预张力的作用下螺栓的摩擦力增加，防止被联接件的相对滑移。螺母就不再出现松动的情况了，避免了螺栓受的集中剪切应力。

图5 夹壳联轴器受力分析

4 结论

内六角螺丝与外六角螺栓联接，理论上在同样材料、相同螺纹的两种螺丝的承载能力一样。但内六角螺丝采用自攻螺纹作为联接紧固件时，它不能套用螺栓工作机理来计算它的联接强度[3]。因忽略了螺母与联轴器件支撑面接触表面上的摩擦力，内六角螺丝拧紧时螺纹副的自锁作用和螺栓头与联轴器件支撑面接触表面上的摩擦力只有一个面，大部分力被存储在紧固件及螺丝中，使螺栓集中承受拉力，被联接件承受部分压力。外六角螺栓与螺母的配合联接能使外界轴偏移等因素使这个能量释放出来，受拉力和剪切力就会减少或消失，当螺纹联接受冲击振动或交变载荷作用时，螺纹副之间和支撑面间的摩擦力不会减小从而引起恶性故障。