CN1182333C - 离心式限矩型钢球联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性软启动的离心式限矩型钢球联轴器。它主要是在星轮叶片间的星轮轴体上设有若干个阻合器。所述阻合器的结构可以由4-6块闸块分别经碟簧固定于星轮轴体上而构成；也可以由4-12块瓦形永磁块、设于其间的防漏磁垫和其外的护板构成，并由紧固件固定于星轮的轴体上。因此，具有一种结构合理，软启动性能好，磨损小，使用寿命长，适用性较广，可靠性高，使用、维修方便等特点。

Description

离心式限矩型钢球联轴器

本发明涉及一种机械式动力传动装置，尤其是对一种原动机(电动机、涡轮机、往复式发动机等，以下仅用电动机表述)与负载之间利用钢球离心体在旋转时所产生的摩擦转矩来传递功率的一种柔性软启动联轴器的结构改良。

本专利申请人曾于1993年申请了名为“限矩型钢球联轴器”的实用新型专利(专利号93211884.4)。它主要是将叶轮与原动机主轴联接，组成传递功率的主动件，负载与联轴器半体，左、右侧盖、摩擦壳，压盖等相联成一体，成为钢球联轴器的被动体，钢球散体及红丹粉均布于摩擦壳和叶轮叶片分割的扇形空腔内。工作时原动机带动钢球抛向摩擦壳内壁产生摩擦转矩，当其大于负载阻转矩时，带动被动体转动，实现功率的传递。但仍然存在着下述缺点：1.由于摩擦转矩的大小与输入转速的平方成正比，而离心式工作机亦然，因此传动时空载软启动和协调性能较差；2.传动结构为单一的同轴心传动，无带制动轮的传动以及平行轴式的齿轮、链轮或皮带轮之类的传动结构；3.启动过程中滑摩擦功损耗高，摩擦副磨损大，寿命短；4.只能单速传动，不能与变极多速电动机配套使用，使用价值较低，实用领域窄推广应用受限，技术成果转化较慢；5.安装、拆卸在结构上无完整性，安装、使用、维护不便。另外，摩擦副内的粉末容易渗入轴承的内腔，造成联轴器的柔性联接失效，传动性能破坏等不足。

本发明的发明目的是提供一种结构合理，软启动性能好，磨损小，使用寿命长的离心式限矩型钢球联轴器。

本发明的另一个发明目的是提供一种适用性较广，可靠性高，使用、维修方便的离心式限矩型钢球联轴器。

本发明的发明目的主要是通过下述技术方案得以实现的：在星轮叶片间的星轮轴体上设有若干个阻合器。其中，所述的星轮系由星轮轴体和设于其上的星轮叶片构成。所述阻合器的结构可根据所传输功率、转速及工作机作用的工况条件等作相应的调整。例如，所述的阻合器可以由4-6块闸块分别经碟簧固定于星轮轴体上而构成。也可以由4-12块瓦形永磁块，和设于其间的防漏磁垫以及将瓦形永磁块与星轮轴体相固定的紧固件构成；并在所述的瓦形永磁块外，设置有护板。

为了使本发明能更好地适用于变极多速电机等场合，所述的星轮轴体与辅叶轮之间设有轴承；并在所述的辅叶轮与星轮叶片之间设置有多片摩擦离合器。一般地，当工作机的功率较大时，所述的多片摩擦离合器可采用气动的传动控制机构来实现其离合；对于功率较小的工作机，则采用电磁式离合控制器。

本发明除了作同心轴传动外，也可以通过带传动轮(如皮带轮或链轮等)，使不处于同一轴心(如彼此平行)的主动轮轴与被动轮轴可灵活地传动配置。此时，可将所述的右盖与摩擦壳制成一体，并在其外周上设置有带传动槽。也可以所述的部分右盖与摩擦壳制成一体，并在其一侧固定有带传动轮。前者适用于大直径带传动轮的传动，并将传动轮与摩擦壳合二为一，使结构更为紧凑、合理；后者则适用于小直径带传动轮传动。

另外，在所述工作机旁设有红外线打滑检测装置，其检测头的触轮与工作机转轴相接触。当本发明在工作时，万一发生过载打滑，当工作机的转速低于额定转速20％以上时，该检测装置即发出告警信号和停车指令。

为了克服现有技术在整体安装或拆卸的不可行，可在所述左盖上设置有工艺孔。所述的工艺孔为均布的四个小孔及中心孔，使用与之相对应的专用工具通过该工艺孔，进行整体安装或拆卸；在所述左盖的内侧设置有环状槽，所述的星轮的一端置于其内。这样，使星轮叶片的每个扇形空腔的一侧间隙与星轮轴的端部不直接沟通，而呈曲折状，从而避免扇形空腔内的Pb2O5粉末直接进入星轮内的轴承中。

在所述摩擦壳和右盖上设有6-12个凹槽。以便于取出尼龙柱销，并具有散热和减重之作用。在所述右盖上设有密封毡圈，且在轴承的左侧设置有挡尘环，以进一步阻挡灰尘侵入轴承中。

所述的被动轴连接盘可为半体(或带制动轮半体)或为被动带传动轮。

因此，本发明提出的离心式限矩型钢球联轴器有以下优点：1)空载启动，能将带负荷满载和大惯性重载启动转变为空载启动，可使用小容量电动机在接近其工况点下工作。选型时可取功率储备系数为1，启动附加功率为零，因而装机容量可比原来下降1-2个机座号，节电达10％-20％。缩短启动时间，减小启动平均电流和电动机发热量。启动过程滑磨功损耗低、磨损小，寿命长，2)柔性联接软，柔性和刚性联接变换灵敏，软启动性能好。能满足重载频繁交替正反转运行工作机的使用要求，满载正转急反转旋向改变平稳快捷，过渡圆滑，传动系统无冲击和振动。3)防止过载，保护电动机免遭堵转烧毁，避免恶性事故造成工作机损坏。4)负载多点驱动能协调均匀各电动机的负荷分配和同步传动。5)应用于离心式工作机传动，可实现带负荷满载启动，和原来相比，启动电流小30％，启动时间短75-90％，启动过程节电70％以上，启动过程对电网无冲击。启动效果优于普通钢球联轴器和液力偶合器。6)能满足变极多速电动机的双速传动要求。7)实用性强，工业应用广泛。传动型式可为同心轴、带制动轮同心轴，平行轴带(键、齿)轮传动等。可水平传动、倾斜传动和立式传动。能满足任何类型工作机在任何工况和环境下的使用要求。8)与限矩型液力偶合器相比，除性能相同外，还具有空载软启动性能好，结构简单可靠，体积小，质量轻，价格低，传动效率高，传动速比衡定不变，匹配功率(3-5500kw)和输入转速(500-3000r/min)范围宽广，拆装方便，使用维护简单，费用低，使用寿命长，钢球一次更换启动次数达10000-40000次，以及传动方式多样等优点。

附图1是本发明的一种半剖的侧视图；

附图2是附图1的A-A剖视图；

附图3是本发明中的一种阻合器的局部剖视图；

附图4是本发明中的一种阻合器的局部侧视图；

附图5是本发明中的另一种阻合器的局部剖视图；

附图6是本发明的带皮带轮的另一种剖视结构示意图；

附图7是本发明的带皮带轮的第三种半剖的结构示意图；

附图8是本发明的第四种剖视结构示意图；

附图9是本发明和电动机以及几种常用工作机的转速与转矩间的关系曲线示意图。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明作进一步地描述。

实施例1：星轮12的内孔与电动机主轴联接，在星轮12的外周上设置有轴承13，其上置有右盖20；右盖20内设有毡圈18，其间设有挡尘环19，在轴承13旁设有挡圈14；在右盖20的外侧设有花盖17和由片簧、弹垫、螺钉组成的过载打滑报警器16；当过载打滑时，片簧即与花盖17上的斜面产生滑动摩擦而发出响声(对于需正反转交替运行的机械则不设)，使操作员及时关机处理。在左盖5的轴上和星轮轴承孔之间设置有轴承13，其外设有L型的挡尘环19；在左盖5中心部的外侧设置有封板25，以防灰尘的侵入。在左盖5与右盖20之间的星轮12上设置有阻合器8。其中，所述的阻合器8系由6块闸块82分别经碟簧81分别固定于星轮12上而构成(参见附图1、附图2和附图5)。即是一种带蝶形弹簧闸块式，用于2极和4极大型电动机传动，并可与任何类型的工作机配套。

在所述阻合器8的外侧设置Ф4mm-Ф6mm的钢球离心体9和一定比例的Pb₂O₅粉末，并均布于由星轮叶片4分隔成的六个扇形空腔40内。在六个扇形空腔的外侧设置有圆环状多凹槽的摩擦壳22，其上拧设有加料塞7，以根据作业的需要调整钢球离心体9的数量或抽样检测钢球离心体9的磨损量之用。由摩擦壳22、左盖5、右盖20和星轮12围成的空腔40的内表面与钢球离心体9构成摩擦副，将电动机输入的机械能转变为摩擦转矩M_F，并以此实现多项传动性能。

左盖5上设置有工艺孔27，以便通过插入工艺孔的专用工具，打(压)星轮12轴体和顶压电机主轴，即可实施整体安装和拆卸工作。而与负载主轴相连的半体1(或带制动轮的半体，图略)设置于左盖5的左侧，并通过6-12个弹性尼龙柱销24以及紧固件3装配成一体，构成本发明同心轴传动的一种结构型式。此外，也可将摩擦壳22制成整体圆环形(在尼龙柱销处开设斜槽，以利顶出柱销，图略)，将摩擦壳与制动轮的结构与功能合二为一，以满足电动机与负载之间狭窄场合的使用要求。

实施例2：所述的阻合器8也可将12块瓦形永磁块83和设于其下方的由非导磁材料制成的防漏磁垫84，由紧固件80固定在星轮12的轴体上；并在所述的瓦形永磁块83外周设置有护板85。所述的护板85可采用钢板制成，使其具有均匀磁场和保护永磁块83的作用(参见附图3和附图4)。它主要适用于4极中小型和6-10极大中型电动机传动。

实施例3：附图6及附图7是本发明的另一类派生型的结构示意图。它主要是将实施例1右装配体中的摩擦壳22、右盖20与带传动轮6的结构、功能溶合为一体，将半体1改变为被动带传动轮安装在与主动轴相平行的被动轴上。其中，当所使用的带传动轮的直径较大时，可直接在摩擦壳22的外周上设置有带传动槽10，并将右盖与其合二为一，左盖5由紧固件3固定于其一侧，内设有阻合器8和钢球离心体9；当所使用的带传动轮的直径较小时，所述的带传动轮6设置于一侧，并通过紧固件将两者固定成一体。其它结构与实施例1相类似。

实施例4：参见附图8，它是在实施例1的基础上增设了一个辅叶轮29，且在辅叶轮29内装有磁块式阻合器8。辅叶轮与星轮轴体之间设有轴承13，在轴承的右侧设有轴套51和密封组件52。在辅叶轮与星轮叶片之间设置有多片离合器28。离合器的具体结构根据本发明所传递功率的大小而有所不同。在小功率的场合，可通过正负极滑环53，使外接低压电源将电能输送至电磁多片摩擦离合器28；在较大功率的使用场合，则外接气源，通过旋转接头气控多片摩擦离合器28。其它结构与实施例1相类似。当传输功率在高速级工作时，多片摩擦离合器28在电磁(或气动)控制作用下呈脱开状态，并实现高转速工况的功率传递。当电动机的转速在低速级工作时，该离合器处于接合状态，这时，星轮12和辅叶轮29同步工作，以实现低转速下的功率传动。

本发明在工作时由电动机带星轮旋转，钢球离心体在星轮带动下受离心力和阻合器作用压向摩擦壳和左、右盖内壁，并产生摩擦转矩来传递功率。当摩擦转矩M_F大于负载阻转矩M_L时，便平稳可靠地拖动正在运行的负载稳态匀速运行；或启动负载并加速至工作转速进入运行工况。否则就使正在运行的负载转速下降甚至堵转(过载打滑)；或不能启动负载并保持其原静止状态，而空载启动电动机，下面结合附图9详述本发明的各项性能。

一.关于空载软启动性能。能否实现电动机空载软启动的条件是联轴器和工作机两者的外特性图必须有交点，其对应的转速n_t称负载启动临界转速。启动时当电动机转速n_d≤n_t时，M_F＜M_L，负载保持原有静态，而电动机则近似带星轮率先空载启动，联轴器柔性联接处打滑且在n_t时滑差最大。当n_d＞n_t时，M_F＞M_L，电动机开始拖动负载进入第二步启动阶段，其启动附加转矩M_F-M_L便决定了负载启动的角加速度，联轴器柔性联接处滑差减小直至完全同步，由柔性联接转变为刚性联接，接着电动机和负载以共同的转速一起上升到稳定运行工况。因此，n_t愈大，空载软启动性能就愈好。而n_t的高低与联轴器和工作机配合的外特性有直接影响。普通钢球联轴器(原限矩型钢球联轴器及其同类的节能安全联轴器)的外特性函数式M_F＝f(n²)，其图形是通过直角坐标原点的二次抛物线OA₁F；而工作机类型有离心型M_L＝f(n²)、等斜率型M_L＝f(n)、衡转矩型M_L＝常数、衡功率型M_L＝f(n^-1)等。以离心式工作机为例，其外特性图为一条通过直角坐标的纵坐标上O₂点的二次抛物线O₂A₁K，当其与普通钢球联轴器配合时，两者外特性交点为A₁，该点对应的转矩M_L1和转速n_t1都很低。这样，不仅电动机率先空载启动的转速梯度小，效果差，而且进入第二步拖动负载启动时，由于启动附加转矩(即M_F1-M_L1)很小，从而拖长负载启动过程，推迟工作机投入稳态运行。

本发明设置阻合器后，在启动过程中可使钢球离心体经受离心力和阻合器阻力的双重作用，从而改变和改善普通钢球联轴器的外特性图形，达到n_t大幅度提高的空载软启动性能好效果。对磁块式阻合器而言，永磁块将全数钢球吸附其上，在电动机n_d＝(0.2-0.25)n_k前，钢球离心体所受的离心力小于磁块的吸附力，摩擦壳内壁无钢球存在，故M_F＝0。随着n_d增加吸附在磁块上的钢球离心体所受的离心力克服磁力后的剩余作用力使钢球逐粒脱离磁块飞向磨擦壳，这时附在磁块上的钢球离心体的形心半径和质量逐渐减小，需要更高的转速产生的离心力才能克服磁力让钢球飞离，至n_d＝(0.8-0.9)n_k时钢球才会全部与摩擦壳接合，其外特性图改善为曲线O₁A₂BF，并使原交点A₁提升至A₂点，而BF段仍保留原有图形不变。这种阻合器由于联轴机构在额定工况点下工作时，钢球离心体所受的离心力近80倍于磁力，故磁力对稳态传动并无影响。对带蝶簧闸块式阻合器，首先减少了钢球离心体的填充量，使其在离心力作用下产生的摩擦转矩M_F始终小于负载的阻转矩M_L。多层蝶簧在紧固件预紧力作用下将闸块压附在星轮轴壳上，闸块外半径与钢球离心体内分布半径留有行程量。当电动机启动转速n_d＝0.7nk时，闸块在离心力作用下压缩蝶簧向外伸张，行程量至δ时闸块与钢球接触，但离心力和蝶簧压缩力平衡后剩余作用力为零，这时的摩擦转矩仅是钢球产生的。当n_d＞0.7n_k后，闸块便具有逐渐增加的剩余作用力通过钢球施加于磨擦壳上，这时联轴器的摩擦转矩为钢球和闸块两者摩擦转矩的总和。这种阻合器可将原外特性图改善为曲线OCA₃F，从而使交点A₁提升至更高的A₃点。

二.关于过载保护性能。本发明与电动机相配合，使两者外特性图形的交点设计为本发明过载保护的安全限矩值[M_F]的极点。该点介于电动机最大转矩M_m和额定转矩M_k之间的某处F点，对应转速为n_L，这样本发明既具备了对电动机过载保护性能，又能发挥其短时允许超载的特点。电动机在额定工况下工作时，转矩M_k和转速n_k，这时本发明具备的设计摩擦转矩M_s＝kM_k，转矩储备系数k＞1，本发明星刚性联接能平稳可靠地传递功率，并保证传动速比衡定不变。当电动机输出转矩随负载阻转矩由M_k增至[M_F]时，转速则由n_k稍降至n_L，本发明的摩擦转矩则由M_s急降至[M_F]，转矩储备系数降为k＝1，在F点处便出现“滑差”趋势，并由刚性联接开始转变为柔性联接。这种过载打滑使电动机和负载脱开而不致造成过载堵转烧毁和损坏。由于过载打滑的速度压强积值很大，长期打滑无人处理会导致摩擦副过热退火失效，和“柔性联接”破坏而最终使电动机堵转烧毁。为保证本发明和工作机的安全，当与IV～VI类工作机配套或处于频繁严重长期过载运行工况和远程自动控制场合时，可设置红外线打滑检测装置加以监控，当过载打滑使工作机转速低于其额定转速20％时，便输出信号，告警和停车。本发明的弹性尼龙柱销也能防止过载打滑造成的过热退火失效，当过载打滑使体温升至175℃时，尼龙柱销便可软化剪断而停车。此外本发明设置的过载打滑警报器的片簧在过载打滑发出的击打声响，也可提醒在场操作人员及时停机处理。

三.关于协调多机负荷分配性能。实质是空载启动和过载保护性能的延伸，只是它与电动机外特性图形的交点设计在[M_F]极点F的下方某处而已。协调性能可简单可靠地解决多点驱动的顺序启动，均衡载荷同步传动和过载保护三个难题。

Claims (10)

1.一种离心式限矩型钢球联轴器，包括与原动机相连的设有叶片的星轮，和设于其外并与左右盖相连的摩擦壳以及置于其间的钢球离心体，在其一侧设有被动轴连接盘，其特征是在星轮叶片(4)间的星轮(12)的轴体上设有若干个阻合器(8)。

2.如权利要求1所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征在于所述的阻合器系由4-6块闸块(82)分别经碟簧(81)固定于星轮(12)的轴体上而构成。

3.如权利要求1所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征在于所述的阻合器系由4-12块瓦形永磁块(83)，和设于其间的防漏磁垫(84)以及将瓦形永磁块(83)与星轮(12)的轴体相固定的紧固件(3)构成；并在所述的瓦形永磁块(83)外，设置有护板(85)。

4.如权利要求1所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征在于所述的星轮(12)的轴体与辅叶轮(29)之间设有轴承(13)；并在所述的辅叶轮(29)与星轮叶片(4)之间设置有多片摩擦离合器(28)。

5.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征在于所述的右盖(20)与摩擦壳(22)制成一体，并在其外周上设置有带传动槽(10)。

6.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征在于所述的部分右盖(20)与摩擦壳(22)制成一体，并在其一侧固定有带传动轮(6)。

7.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征是在与被动轴连接盘相连的工作机旁设有红外线打滑检测装置，其检测头的触轮与工作机转轴相接触。

8.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征是在所述左盖(5)上设置有工艺孔(27)；所述左盖(5)的内侧设置有环状槽(2)，所述的星轮(12)的一端置于其内。

9.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征是在所述摩擦壳(22)和右盖(20)上设有多个凹槽(33)。

10.如权利要求1或2或3或4所述的离心式限矩型钢球联轴器，其特征是在所述右盖(20)上设有密封毡圈(18)，且在轴承(13)的左侧设置有挡尘环(19)。

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