CN107202077A - 一种液压剪切销式安全联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压剪切销式安全联轴器，设置在减速机和万向轴之间，包括轴套一（1）、轴承一（2）、轴套三（3）、轴套三（3）穿套在轴套一的外周，所述轴套一（1）的前端与轴端端盖（4）接触，轴套三（3）的前端通过安全销（7）固定有安全法兰（6），所述安全法兰（6）的内侧面固定安装轴承压盖（5），轴承压盖（5）的内圈安装轴承三（8），所述轴端端盖（4）与所述轴承三（8）配合。本发明涉及一种液压式 + 剪切销式安全联轴器，尤其涉及一种在安装位置和安装尺寸不变的前提下，通过液压安全联轴器内部结构的改型、设计，保证了设备的稳定性。是大型设备大扭矩过载保护的重要部件设备之一。

Description

一种液压剪切销式安全联轴器

技术领域

本发明涉及液压剪切销式联轴器，尤其是一种适用于传递较大扭矩的安全联轴器。

背景技术

在某些工厂的矫直机及同类型大型设备上，使用的大扭矩液压安全联轴器当扭矩超载剪切管被剪断后，矫直辊依然随减速机转动，且经常频繁出现失效起不到保护相关设备作用，当安全联轴器从减速机的输出齿轮轴上卸下以后，发现齿轮箱输出轴外表面与安全联轴器孔表面不同程度存有划伤痕迹，也就是减速机齿轮轴及联轴器内套配合公差已损坏，导致的剪切管即使被切断，联轴器内孔与齿轮箱输出轴依然不能脱开。当液压油泄压后齿轮轴与联轴器摩擦，造成齿轮轴的损坏，等再次注入液压油后液压安全联轴器保压不稳定，达不到所要求的额定保压数值，以至于设备不能达到应有的功能。

另外，齿轮箱的输出轴也是一根齿轮轴，如果现场完成单根齿轮轴的更换其加工成本较高，且需现场长时间停机检修，直接影响了正常生产。如果整体更换组合式减速机那备件成本更加昂贵。

根据现场原来使用的安全联轴器结构与实际使用情况分析，此类大扭矩液压安全联轴器在实际使用中容易磨损齿轮箱的输出齿轮轴，而减速机输出齿轮轴单独更换和现场完成齿测和齿顶隙的配装不太现实，因为单独更换齿轮轴的加工处理、安装过程又比较复杂，最为重要的是现场配对的齿轮完成不了配研和修型。

为保证快节奏的生产，采取齿轮箱的输出齿轮轴和联轴器内套虽然已经拉毛，在现场进行打磨与清理后，原结构回装。增大打压额定值，使液压安全联轴器与减速机输出轴成为一个整体，但已然起不到安全保护设备的功能。但毕竟是临时保证生产的措施，不可能长期使用，并且设备的安全得不到保障。可是通过以上的增大保压额定值，使联轴器内套与减速机输出轴抱紧的经验是可以利用，于是就有了保留原来液压安全联轴器的打压功能及部分零部件的重复利用，因此可实现只需重新设计联轴器的安全保护部分即可。

发明内容

本发明的目的是设计一套利用现有的液压安全联轴器的功能及保留部分单个零部件的基础上，设计改变安全联轴器的内部结构，即改为液压式 + 剪切销式安全联轴器，从而让现有安全联轴器起到保护设备的安全作用。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种液压剪切销式安全联轴器，设置在减速机和万向轴之间，包括轴套一、轴承一、轴套三、轴套三穿套在轴套一的外周，轴套一的前端与轴端端盖接触，轴套三的前端通过安全销固定有安全法兰，所述安全法兰的内侧面固定安装轴承压盖，轴承压盖的内圈安装轴承三，所述轴端端盖与所述轴承三配合。

考虑到安全销布置中心的圆直径D=335mm；考虑到直径335mm圆周上受力均匀，安全销的个数为3个，圆周均匀设置，采用套管式结构。

（一）、设计原则

1、序号1轴套一从减速机输出齿轮轴上拆出，并对其配合面进行清理、打磨，同时清理，而后把序号1轴套一与减速机输出齿轮轴装配一起，打入120MPa液压油后，序号1轴套一与减速机输出齿轮轴抱紧，且能够长期保压在120MPa。也就是改造后的安全联轴器重复利用了原来液压安全联轴器的液压功能和零件序号1轴套一。

2、为减少组合减速机和万向联轴器备件的高额成本及保持备件的互换性，组合减速机的结构尺寸不变和万向联轴器长度尺寸不变。

3、在保证原来整体液压安全联轴器的定位尺寸不变前提下，利用了原结构的轴套一结构尺寸展开安全设计。

4、当扭力超载，安全销7剪切断裂后，万向联轴器随动齿轮轴，克服了原设计的螺栓断裂后万向轴下坠，导致此万向轴的损坏及影响其他万向轴的正常运行和直至损坏。

5、安全销采用单面穿入式的销钉形式，且设计增加了互换性强的套管，安全销按剪切面断裂后，方便拆卸；

6、要避免在较大扭矩前提下使用液压安全联轴器保压不稳定的弊病；

7、采用大扭矩过载保护的剪切销式安全联轴器，这种安全联轴器结构虽然简单，但对于扭转力矩较大的旋转机构非常实用，且在安全销的材料选用、制造误差及疲劳强度的影响要求不高。

（二）、设计内容：

1）、改造后保留了改造前的序号1轴套一和序号2轴承一；

2）、改造后序号3轴套三替代了改造前的序号3轴套二；

3）、改造后序号4轴端端盖替代了改造前的序号4轴承二和序号5密封圈及序号6轴端压板轴套；

4）、改造后序号6连接法兰替代了改造前的序号7半法兰

5）、改造后序号7安全销替代了改造前的序号9连接螺栓；

6）、去掉了改造前的序号8键，改造后增加了序号5轴承压盖和序号8轴承三。

（三）、计算剪切销（圆柱形）的剪切断面尺寸：

液压式 + 剪切销式安全联轴器是装在传动万向轴与减速机输出轴间的安全保护装置，起保护万向轴及减速机作用，相对部件万向轴和输出齿轮轴，万向轴强度低于齿轮轴，为传动设计时的薄弱环节。所以液压式 + 剪切销式安全联轴器的安全销设计时采用传动万向轴参数展开。

根据设计改造后结构图所示，当120MPa高压油通过注入孔打入连接套（序号1轴套一）的油腔内，油腔内套向内压缩抱紧中间套，中间套同时向内变形压缩抱紧减速机输出齿轮轴，这样联轴器通过摩擦力传递与油压成正比的扭矩（改造前额定工作压力90MPa，改造后工作压力120 MPa），由于随着工作压力的增加，当扭矩超过改造前额定工作压力90MPa时，液压安全联轴器上剪切管不会被剪断，压力油也不会泄出。另外，无论是改造前和改造后直径285万向轴是没有更换，所以薄弱环节还是万向轴，故不考虑工作压力120MPa时的液压安全联轴器的破坏扭矩。设计引用万向轴的参数设计安全联轴器安全销是正确的，即当扭矩超载时，安全销被剪断而原液压安全联轴器处于不泄压的安全状态。

设计方法：

1、国内生产的回转直径285万向轴传递到安全联轴器的最大转矩

T= 90 KN m;

2、安全销直径为d，单位mm，材料选用具有强度较高，塑性和韧性好的45号钢，且承受载荷较大的小截面的调质件，其最大抗拉强度极限σ= 600 MPa；

3、安全销布置中心的圆直径D = 335mm；

4、考虑到直径335mm圆周上受力均匀，

安全销数量为A = 3个；

5、取 [ T ]=0.7σ；

则作用在安全销上的剪切应力为F

T = F/S; S--安全销剪切断面积；

S = 3.14*d²/4

当T≥[ T ]时，安全销会被过载剪断，联轴器传递的转矩是：T = A*F*D/2 =3F*D/2

即，F = 2T/3D=2*90*10³/3*335*10^-3=1.79*10⁵

所以，F/S ≥0.7σ

1.79*10⁵/0.7σ≥S=3.14*d²*10^-6/4

4*1.79*10⁵/0.7*600*10⁶≥3.14*d²*10^-6

542.9≥d²；

23.30≥d；

故剪切断面直径最大值为d = 23.30 mm，

取圆柱形安全销的剪切断面直径为23mm；

也就是：当设备工作时过载时，剪切断面直径为22mm的圆柱形安全销断裂，此时的万向轴和减速机处于安全状态。

附图说明

图1为本发明预改造的联轴器的结构示意图；

图1中序号说明：1、轴套一；2、轴承一；3、轴套二；4、轴承二；5、密封圈；6、轴端压板；7、半法兰；8、键；9、连接螺栓；

图2为本发明实施例液压剪切销式安全联轴器的结构示意图；

图2中序号说明：1、轴套一；2、轴承一；3、轴套三；4、轴端端盖；5、轴承压盖；6、连接法兰；7、安全销；8、轴承三。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示，本实施例中的液压剪切销式安全联轴器，设置在减速机和万向轴之间，包括轴套一1、轴承一2、轴套三3、轴套三3穿套在轴套一的外周，轴套一1的前端与轴端端盖4接触，轴套三3的前端通过安全销7固定有安全法兰6，所述安全法兰6的内侧面固定安装轴承压盖5，轴承压盖5的内圈安装轴承三8，所述轴端端盖4与所述轴承三8配合。

安全销的主要作用是：确定轴向位置和轴向间隙尺寸，是把两种配件连接组合在一起，可承受一定剪切力，是用于需要精确定位的地方，是一种起连接作用的紧固件，可构成静态固定连接，可与连接件做相对运动，主要用于各零件的连接处，构成铰链连接，起保护机械结构的作用。主要是承受抗剪力，可以看做是一个机构件可以承受的最大剪切应力，主要是径向力引起的破坏，跟轴向力没有直接关系。

本申请的联轴器具有如下特点：

1、组合减速机安装位置不变，其输出齿轮轴的输出长度不变。

2、传动万向轴的长度尺寸3300mm不变，回转直径285不变，对接离合器的法兰安装尺寸不变。

3、原来液压安全联轴器结构的序号1轴套一和序号2轴承保持尺寸与结构不变，并与输出齿轮轴连接装配在一起。

4、设计改造后序号4轴端端盖替换改造前序号4轴承二、序号5密封圈、序号6轴端压板，并安装在减速机输出齿轮轴端部，用于克服序号1轴套一的轴向力。

5、设计改造后的序号3轴套三装配在序号1轴套一的外圆柱配合面上。

6、设计改造后的序号8轴承装配在序号4轴端端盖上，用于剪切销被剪断后的万向轴与输出齿轮轴的随动，并使此时的万向轴不下坠至损坏。

7、设计改造后的序号5轴承压盖安装在序号6连接法兰上，起压紧序号8轴承的作用（在序号4轴端端盖的端部配有顶序号8轴承内环的压板）。

8、 设计改造后的序号6连接法兰安装在设备原配有的万向轴半法兰上。

9、设计改造后的序号3轴套三与序号6连接法兰用3个序号7安全销连接。

根据工作时的扭转力矩，设置的三个套管式安全销，在扭矩超载后，安全销7断裂，此时的万向轴与减速机输出齿轮轴断开，这时联轴器就像一个滑动轴承一样工作，万向轴随动辊子旋转。重新安装过载安全销，联轴器又可继续工作。

以下结合现场举例计算说明。

整机设备设计规格：钢板厚度 6---60mm；

钢板宽度 900---4200mm

最大矫直力 33000 KN

温矫直机n = 9辊式

下面以 厚度h=16 mm, 宽度b= 2100mm为例；

被矫钢板材质是51CrV4,屈服强度σs=575MPa,

弹性模量E=207*10³ MPa,

工作辊：辊径D=305mm,辊距t=330mm,辊身长度L=4450mm,

支撑辊：辊径D=305mm,辊距t=330mm,辊身长度L=390mm,

沿工作辊辊身长度配置支撑辊数量6个；

1）、材料力学分析;对于矫直机来讲,第三辊上的压力和矫直扭矩最大，

纯弹性弯曲力矩 M₁= σs*b*h²/6

=575*1500*9.25²/6 =51 KN m

纯塑性弯曲力矩 M= 1.5 M₁ =1.5*12.3=76.5 KN m

第三辊压力 P₃= 8 M/t =8*18.45/0.33=1854.5 KN

2)、此时的第三根辊矫直机的

总压力：

P_3总=8（3 M+(M+ M1)*(n-8)/2 +3 M1）/t

=10818.18KN

总矫直扭矩;

M_K =D M /2 *(1/r +k(n-2) σs/E h)

取原始曲率半径r =30h,矫直系数k=1.5；

得：M_K = 45.5 KN m

M_3总= （P₃ * M_K）/ P_3总

=(447.2 *12.66)/ 2583

=7.799 KN m

以上计算满足薄弱环节万向轴的允许转矩90 KN m；

应用效果

1）、大型设备大扭矩过载保护的联轴器普遍采用剪切销式安全联轴器，这种安全联轴器结构简单。

2）、改造后的液压式 + 剪切销式安全联轴器设备运行正常，杜绝了事故的隐患且长时间的设备停机和备件费用增加。

3）、结构设计简单合理，便于装配和拆卸；

4）、减少组合减速机和万向轴的备件库存；

5）、可维修性强，互换程度高，不受减速机和万向轴安装传动形式的影响。

6）、在特定使用目的下，满足强度、刚度及稳定性要求，保证设备的原有功能；

7）、改造后可提高组合减速机整机寿命；

8）、零件的尺寸、规格简化统一，大大减少系列内零件数量；

本发明涉及一种液压式 + 剪切销式安全联轴器，尤其涉及一种在安装位置和安装尺寸不变的前提下，通过液压安全联轴器内部结构的改型、设计，保证了设备的稳定性。是大型设备大扭矩过载保护的重要部件设备之一。

Claims (2)

1.一种液压剪切销式安全联轴器，设置在减速机和万向轴之间，包括轴套一（1）、轴承一（2）、轴套三（3）、轴套三（3）穿套在轴套一的外周，其特征在于：所述轴套一（1）的前端与轴端端盖（4）接触，轴套三（3）的前端通过安全销（7）固定有安全法兰（6），安全法兰（6）的内侧面固定安装轴承压盖（5），轴承压盖（5）的内圈安装轴承三（8），轴端端盖（4）与所述轴承三（8）配合；安全销（7）的个数为3个，圆周均匀设置，采用套管式结构；安全销（7）为圆柱形，剪切断面直径为23mm。

2.根据权利要求1所述的液压剪切销式安全联轴器，其特征在于：所述安全销剪切断面的设计方法如下

液压剪切销式安全联轴器是装在传动万向轴与减速机输出轴间的安全保护装置，起保护万向轴及减速机作用，相对部件万向轴和输出齿轮轴，万向轴强度低于齿轮轴，为传动设计时的薄弱环节，因此安全销（7）在设计时采用传动万向轴参数展开，

根据权1改造后的结构，当高压油通过注入孔打入轴套一（2）的油腔内，油腔内套向内压缩抱紧中间套，中间套同时向内变形压缩抱紧减速机输出齿轮轴，这样联轴器通过摩擦力传递与油压成正比的扭矩，改造前额定工作压力低于改造后工作压力，随着工作压力的增加，即使在扭矩超过改造前额定工作压力的状态下，液压安全联轴器上剪切管也不会被剪断，压力油也不会泄出，而且，无论是改造前和改造后万向轴是没有更换的，所以薄弱环节就是万向轴，故不考虑高工作压力状态下的液压安全联轴器的破坏扭矩，因此引用万向轴的参数设计安全联轴器安全销是正确的，即当扭矩超载时，设计采用安全销被剪断而原液压安全联轴器处于不泄压的安全状态，

设计方法：

1、国内生产的回转直径285万向轴传递到安全联轴器的最大转矩

T= 90 KN m；

2、安全销直径为d，单位mm，材料选用具有强度高、塑性和韧性好的钢，且承受载荷较大的小截面的调质件，其最大抗拉强度极限σ= 600 MPa；

3、安全销布置中心的圆直径D = 335mm，

4、考虑到直径335mm圆周上受力均匀，

安全销数量为A = 3个；

5、取 [ T ]=0.7σ；

则作用在安全销上的剪切应力为F

T = F/S； S—安全销剪切断面积；

S = 3.14*d²/4

当T≥[ T ]时，安全销会被过载剪断，联轴器传递的转矩是：T = A*F*D/2 =3F*D/2

即，F = 2T/3D=2*90*10³/3*335*10^-3=1.79*10⁵

所以，F/S ≥0.7σ

1.79*10⁵/0.7σ≥S=3.14*d²*10^-6/4

4*1.79*10⁵/0.7*600*10⁶≥3.14*d²*10^-6

542.9≥d²；

23.30≥d；

故剪切断面直径最大值为d = 23.30 mm，

取圆柱形安全销的剪切断面直径为23mm；

当设备工作时过载时，剪切断面直径为22mm的圆柱形安全销断裂，此时的万向轴和减速机处于安全状态。