潘 元，万世华，张富存

(中国燃气涡轮研究院，四川 江油621703)

1 引言

弹簧销联轴器是一种金属弹性元件联轴器，具有减振、缓冲和补偿量大等特点。与非金属弹性元件联轴器相比，它具有承载能力大、使用寿命长、外形尺寸小、维护方便的优点，但也存在结构复杂、加工精度要求高、材料利用率低的缺点，并且在运行过程中出现了弹簧销散落、柱销断裂、销孔压溃等失效缺陷，严重影响了弹簧销联轴器的推广应用［1，2］。 本文通过对弹簧销联轴器失效机理进行分析，从简化联轴器结构、降低加工成本和安装难度、提高运行可靠性方面进行改进设计。

2 改进前的结构及工作特性

2.1 弹簧销联轴器结构分析

图1所示为弹簧销联轴器结构简图，其主要由半联轴器、辐板、柱销、弹簧销、盖板和外筒组成。其中，弹簧销是联轴器的弹性元件，由直线弹簧、杯套、连杆、定距套和衬套组成。弹簧销的一端与从动端半联轴器直接联接，另一端通过辐板、柱销与从动端半联轴器联接。原设计想通过此种方式来改善弹簧销的受力形式、提高承载能力，但结构中柱销占据了弹簧销的位置，致使弹簧销数量减少，反而降低了承载能力。多个柱销联接辐板与从动半联轴器产生过定位，导致加工精度提高、难度加大，弹簧销受力不均。同时，又存在由辐板、柱销、外筒、从动端半联轴器组成的框架结构，造成联轴器零件数量多、结构复杂。

图1 弹簧销联轴器结构简图Fig.1 Spring pin coupling structure

2.2 工作原理

联轴器的主动半联轴器通过弹簧销与框架结构联接从动半联轴器来传递运动和动力。联轴器可根据使用情况通过计算调整直线弹簧的数量、长度和直径，起到补偿主、从动轴的角向、径向及综合偏差，吸收振动并缓冲起动冲击和变负荷冲击的作用。

3 失效分析

3.1 损坏情况

用于绵阳热电厂磨煤机上的THX-8型联轴器和用于安县水泥厂水泥磨机上的THXC-10型联轴器在使用过程中均出现过柱销断裂、中间部分磨损严重，弹簧销中的弹簧钢丝中间部分磨损、弹簧销散落，主、从动半联轴器上弹簧销孔磨损严重，主动端半联轴器上的柱销孔已磨成椭圆形并伴随有表面压溃等现象，如图2所示。

3.2 失效分析

根椐弹簧销联轴器的结构和工作原理，本文对上述失效情况进行了分析，认为造成弹簧销联轴器失效的主要原因有：

(1)销孔失效

由于设备的主、从动轴不对中及弹簧销与半联轴器的销孔之间采用间隙配合，导致孔中心与弹簧销中心不一致，如图3所示，O为联轴器的中心，O1为孔的中心，O2为弹簧销的中心。弹簧销以孔中心O1为圆心作平移运动，其频率为联轴器的旋转频率，长期运行产生微动磨损，使得销孔之间的间隙变大，对中精度变低，相对速度变大，磨损越来越厉害，从而导致联轴器销孔因过度磨损而失效。

(2)弹簧销、柱销失效

在产品设计时，过多地强调了联轴器对设备的保护功能、对不对中的补偿能力和缓解冲击的作用。正常工作时弹簧销的挠度为1.0 mm左右，当在带载起动和运行过程中有冲击时，由于其刚度不足使得弹簧销产生较大变形。因柱销与主动端半联轴器上的柱销过孔间直径差为3.0 mm，当弹簧销挠度过大超过1.5 mm后，引起柱销与过孔表面接触，导致主要负荷集中在柱销上，且由于接触应力过大致使柱销迅速磨损。当磨损达到一定程度后，柱销因无法承受过大应力而断裂。柱销失效后，全部负荷集中作用在弹簧销上，使得其挠度迅速加大，同时又由于弹簧销内钢丝无序排列，在杯套内表面与钢丝间产生间隙，造成销孔、弹簧钢丝磨损及弹簧销中的连杆与杯套脱开，最终导致弹簧销散架。

(3)销孔表面压溃

原设计希望通过减小杯套长度来增大补偿不对中的能力，但却造成了销孔表面接触应力过大，从而使销孔表面产生压溃。

4 改进设计

针对加工过程中和实际使用中出现的问题，本文对联轴器进行了改进设计，改进后的联轴器结构见图4。

图4 改进后的联轴器Fig.4 Improved design of the coupling

4.1 改进措施

(1)结构改进

①取消辐板、柱销，增加弹簧销数量；

②简化弹簧销结构，改变其焊缝结构，增加焊接强度；

③增大弹簧销与孔的接触面积，降低接触应力。

改进后的弹簧销受力形式为悬臂梁，可减小弹簧销长度，减少配合面数量，从而简化了结构。

(2)针对失效进行的改进

①对联接半联轴器与弹簧销的法兰孔进行镶套，提高其表面硬度，增强耐磨性能；

②在弹簧销两端留储油空间，并对弹簧销进行浸油处理，用以改善润滑条件，减少微动磨损；

③加大弹簧销钢丝直径，减小钢丝作用长度，从而增加其刚度，提高承载能力；

④对杯套内孔及钢丝的直径进行优化，对钢丝的排列进行模拟，使钢丝与杯套间产生过盈配合，消除间隙并减少磨损。

4.2 静态试验

对改进前后额定扭矩(6 100 N·m)相同的两个THXC-10型联轴器进行静态试验对比，试验结果见图5及表1。

图5 扭矩-相对位移关系曲线Fig.5 Relative displacement vs.torque

表1 扭转刚度对比Table 1 Comparison of torsional stiffness

从图5和表1的对比中可看出，80%～100%额定载荷的平均扭转刚度和100%～150%额定载荷的平均扭转刚度在改进前变化较大，这是由于弹簧销内钢丝与杯套间的间隙所引起的，但在相同载荷条件下，改进后的平均扭转刚度变化趋于稳定。再根据平均扭转刚度和相对位移变化值可看出，联轴器改进前后两组数据变化很小，平均扭转刚度很接近。从扭转刚度方面考虑，此改进措施切实可行。

5 结束语

对弹簧销联轴器进行上述改进能简化结构，降低成本。经静态试验证明，改进措施切实可行。并且，改进后的联轴器在内蒙古东胜电厂磨煤机上连续运行十个月且情况良好，这也说明该改进设计的成功。改进后的弹簧销联轴器设计已获得国家专利(专利号：ZL200820114615.7)，并于 2009年 12月12日在中国机械通用零部件工业协会传动联接件分会二届二次年会上通过国家标准审核。

[1]周明衡.联轴器选用手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]阮忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南[M].北京：化学工业出版社，2006.