径向弹性柱销联轴器的开发与研究_罗丽珍

第24卷第1期(总第106期) 机械管理开发

Vol.24No．1(SUMNo．106) MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT

2009年02月

Feb ．2009

径向弹性柱销联轴器的开发与研究

罗丽珍

(太原市通泽成套设备有限公司，山西

太原

030032)

【摘要】文章主要对径向弹性柱销联轴器的的主要性能、结构型式、参数确定、强度计算进行了探讨，得出了径向

弹性柱销联轴器的选型、计算方法，结合试验台试验和工业试验，对上述研究进行了验证与修正。该方法对联轴器的选用具有一定参考作用。【关键词】

联轴器；弹性；柱销

【中图分类号】

TH133.4【文献标识码】A 【文章编号】1003-773X （2009）

01-0051-03

引言

径向弹性柱销联轴器在国外被广泛应用，我国联轴器主要参考了德国TSCHANB 系列产品样本，并结合我国联轴器专业情况，开发出了适合我国中、重型机械使用的联轴器。

[1]

1

联轴器的主要性能

1) 从径向弹性柱销联轴器的结构分析，其结构简单，不必沿轴向移动两联接轴，就可更换弹性体，无需润滑，运行可靠，大大方便了维修。2) 径向弹性柱销联轴器传递扭矩大，能够适应重载工况。3) 径向弹性柱销联轴器的扭转刚度随相对扭矩增大而增大，刚性特性曲线为变刚度曲线，且联轴器由于弹性体为粘性体而具有阻尼作用，能起到缓冲吸振, 抑制共振的作用。4) 径向弹性柱销联轴器轴向、径向、角向位移补偿性能较好，能满足一般机械的工作需要。5) 径向弹性柱销联轴器转速较高，线速度可达60m/s，完全能满足一般机械的传动需要。2结构型式

径向弹性柱销联轴器的开发是以德国TSCHAN 中的基本型式BH 型联轴器的结构型式并根据我国联轴器专业的具体情况开展研究的。基本结构形式见图1，它主要由两个半联轴器、弹性体、挡圈三种零件组成。两个半联轴器爪间隔地相互插在一起，使相邻两爪间形成一圆柱孔，在圆柱孔内，径向放置圆柱形弹性体，然后套上挡圈以防弹性体在联轴器转动时因离心力而甩出，扭矩1. 半联轴器；2. 挡圈；

3. 弹性体；4. 半联轴器是通过弹性体受压传

图1径向弹性柱销联轴器结构形式图

递的。这种联轴器易损

件是弹性体，当弹性体需要更换时，不需移动半联轴器，只需将挡圈轴向移动便可实现，大大方便了安装和维修，特别适用于结构复杂的中、大型设备及对中困难

的设备之间的安装。

3联轴器参数的确定与强度计算[2]3.1几何尺寸的确定

几何尺寸确定的关键是半联轴器爪截面与弹性体截面和长度的比例关系，通过TSCHAN B 系列的研究统计结果表明：联轴器爪截面与弹性体截面和长度的比例较好，但仍未达到最优。我们认为这可能是因为2～3挡联轴器同用一种弹性体引起的。这种比例关系的确定同时要考虑弹性体材料的承压能力、半联轴器金属材料的许用应力、弹性体安全系数和爪形薄弱截面的安全系数、截面比例、联轴器外形尺寸以及整个联轴器系列的尺寸系列和弹性体通用性等。另一个考虑的是相邻爪之间间隙的尺寸。尺寸太小可能在联轴器运转时因载荷冲击而引起相邻爪相碰，尺寸太大则影响弹性体受力面积。因此我们运用优化设计知识，并考虑联轴器的系列化，尽量使尺寸和截面比例趋于最优。3.2公称扭矩与许用转速的确定

联轴器主要是传递扭矩，传递扭矩的大小取决于最薄弱环节的受力状况与承载能力。弹性体是该联轴器的最薄弱环节，承载时弹性体处于受压状态。

当联轴器工作时，弹性体受压应力P 按下式计算：

p =4Tc ×103/nD 1dh ≤[p ](1)

式中：Tc 为计算扭矩，N ·m ；n 为弹性体数；D 1为弹性体高度中点对联轴器轴线的回转直径，mm ；D 为弹性体直径，mm ；h 为弹性体高度，mm ；[p ]为聚氨脂橡胶许用挤压应力，N/mm2。

通过上式可得：Tc max=0.25×nD 1dh ≤[p ]/103.(2)然后将按Tc max 按GB/T3507进行系列化，即可得:公称扭矩Tn =2000N ·m.

联轴器许用转速取决于联轴器结构和当旋转时半联轴器的材料能承受的最大线速度v 0。对本联轴器，许用转速主要取决于半联轴器材料能承受的最大线速度。半联轴器材料一般为ZG270～500，机械工程手册规定的线速度不超过60m/s。德国TSCHAN 规定的则为45～58m/s，参考国内外标准中关于梅花联轴器铸

收稿日期：2008-11-16

作者简介：罗丽珍（1968-），女，山西忻州人，工程师，大学本科毕业，主要从事机械设计工作。

钢件允许的线速度（40m/s），本联轴器取40m/s左右。故联轴器允许的最大转速n =40×103×60/（πD ）. （3）式中：D 为半联轴器最大回转直径，mm 。

然后对计算的n 值进行圆整，得到许用转速。3.3弹性体的选择与计算

弹性联轴器工作性能的好坏，主要取决于弹性元件的性能。德国TSCHAN B 系列的弹性件材料为丁晴橡胶和聚氨脂橡胶。本处采用传递扭矩较大的聚氨脂橡胶。

当联轴器传递公称扭矩时，弹性体会产生较大变形，在设计时，因弹性体受力较复杂只能大概计算其变形量，真正的变形量只能靠精确的试验测得。其计算公式为：

·（4）f =mm

·a bEa ·（5）Ea =i G MPa

τ=

. S

（11）

其中：σ为正应力，N /mm2；

τ为切应力，N /mm2。

主应力计算公式：σ2=姨. （12）

在计算爪根部应力时，由于假定式（1）与实际不太符合，故计算应力较有限元计算结果偏大。4联轴器的试验[3]4.1光弹性试验

光弹性试验是用光学灵敏材料制成与实物相似的模型，在相应载荷作用下，用偏振光照射并通过计算便能得到表面及内部的应力变化规律，用这种试验方法求得的应力分量对工程设计具有足够精度，它直观性强，可靠性高，适应性广，能求出在各种复杂条件下全部应力状态，特别是对理论计算较为困难的形状复杂、载荷复杂并有应力集中的构件，光弹性法更显示出它的优越性。其过程是：

1）制作与试件同等大小的环氧树脂半联轴器模型和硅橡胶弹性体模型。2）在YD500冻结箱内，在高于冻结温度下，用加载装置给模型加一定载荷，然后从高温以一定冷却速度冷却至室温再卸载。3）在室温下对模型进行切片、抛光。4）在型光测弹性仪上用偏振光照射，投影照相，并用计算机跟踪绘制条纹。5）结果分析。4.2试验台试验

试验台试验的目的是测试联轴器的扭转刚度、公称扭矩及传动效率、过载能力、温升、弹性块的压缩永久变形等。试验用主要设备：机械封闭式传动试验台，操作台，机械效率仪，打印机。从静载试验记录及T —φ曲线看，加载后随着转矩的增加，联轴器的扭转刚度也逐渐增大，T —誘 曲线为非线性的，说明联轴器为变刚度联轴器。这种联轴器适于有强烈振动及载荷和转速变化范围较大的传动轴系，抑制振动，避开共振，对于非线性刚度的转矩小，刚度小，转矩大、刚度大的特性，也符合实际的需要。聚氨脂属粘弹性体，具有良好的阻尼特性，对缓和突然冲击和衰减高频振动，有良好的效果，在弹性体经过5min 和8min 的超载后，弹性体直径几乎没有变化。证明弹性体弹性稳定，联轴器超载性能好。动载试验记录表明：机械效率较高。4.3工业性试验

联轴器的工业性试验最能反映一种联轴器在实际应用中的效果。该试验选在水泵上使用。驱动电机功率为45kW ，转速为1450r/min，虽然转矩小了一些，但泵每天工作12h ，且工作环境差，安装对中不太好，进行试验是较为理想的场所。它能检测该联轴器在实际中的使用状况、弹性体的寿命、磨损、压缩永久变形、耐油、耐水性能等，能帮助我们改进产品，为产品的推广使用提供事实依据。该联轴器已工作3000多个小时，运转

（下转第56页）

1

（6）[4+2b/a+0.56(1+b/a) ks 2]

（7）G =0.117e 0.034HS .

（4）～（7）式中：

f 为弹性体变形量，mm ；F 为弹性体承受的压力，N ；h 为弹性体承受压力厚度，mm ；a 为弹性体承压面长度，mm ；b 为弹性体承压面宽度，mm ；Ea 为弹性体表观弹性模量，MPa ；G 为弹性体切变模量，MPa ；Hs 为橡胶的肖氏硬度；k 为系数k =10.7～0.098Hs ；S 为

i =

形状系数。

由于弹性体的刚度与承压表面面积，受力均匀性自由表面膨胀时所受限制以及承压表面与金属面粘性程度有关，使应力与应变的关系复杂化，弹性体受压缩时的刚度不再是常量，故将弹性体刚度间接地用扭转刚度来表达，将在试验台试验中测得。3.4半联轴器爪部的应力计算

应力计算是在爪部考虑各种因素确定了几何尺寸后的强度验证，由于爪部受力复杂，计算时只能将它简化并附加假设条件。1）半联轴器内部凸定假定没有；2）半联轴器爪受力后由于弹性体变形大，与弹性体表面接触的金属表面圆弧受均布外力，轴向截面受线性非均布外力。在这种假设条件下，爪截面形状为扇形，计算爪部最小截面和根部载面的最大应力。

R 4-r 4πa

（8）Jy =(-sin2a )

式中：R 为扇形大圆弧半径,mm ；r 为扇形小圆弧半径, mm ；α为扇形圆心角的，(°) 。

J y

截面模量：（9）W =.

式中：e —扇形任一点到对称轴的距离

M

应力计算公式：（10）σ=.

惯性矩：

法实现。增大弹簧变形抗力可以通过改变弹簧的材料和增大簧丝直径来实现。我们采用了增大簧丝的直径的方法，增加弹簧的预压力和工作压力。改进设计后，在快速齿接手与轧辊机架入轴不能直接啮合时，外齿端面顶着内齿端面运动，轧辊机架到位后，减速机输出轴转动，内外齿圈端面出现滑移，弹簧就能将内齿圈推出复位，使内外齿顺利啮合传递轧辊机架所需的轧制扭矩。

5

改进设计后的效果

通过加工制造时严格控制齿圈的变形和重新选用簧丝后的快速齿接手，在生产过程中未曾出现内齿圈不能自动弹出复位的现象，更换轧辊机架方便快捷，张力减径机各项工艺技术指标均达到用户的要求。

参考文献

[1]杨家军. 机械系统创新设计[M].武汉：华中理工大学出版社，1999.

Modification for Quick Gear Coupler of Stretch Reducing Mill

HUANG lin

(TaiyuanTongze Complete Equipment Co., Ltd Taiyuan 030032,Shanxi)

〔Abstract 〕The quick gear coupler of a stretch reducing mill often come across the problem that the inner gear of the quick gear coupler can not spring out to the place where it should be. The paper analyzed the problem and modified it when designing a Twelve-housing slight stretch reducing mill. After modification ,the inner gear of the quick gear coupler worked smoothly and easily. It made a great effect in producing.

〔Key words 〕Stretch reducing mill; Quick gear coupler; Modification

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第52页）

情况良好，只发现弹性体有些磨损，分析其造成的原因是对中安装不好和与弹性体接触处的粗糙度大有关。5结束语

径向弹性柱销联轴器的开发工作取得了令人满意的结论。在各种计算、各种试验中，所证实的结论有些是交叉重复的，尽管使用的方法不同，但证实的结论趋势是一致的。说明我们所做的各种计算、各种试验是较

准确的。这些结论较准确地反映了承载能力、变形及动力特性，为我们今后推广使用该联轴器提供了理论依据和事实依据。

参考文献

[1][2]

施高义，唐金松，喻怀正，等. 合编联轴器[M].北京：机械工业出版社，1988.

西重所. 径向弹性柱销联轴器试验台性能试验报告[R].1992.

Exploiture and Research of Radial Elastic Pin Coupling

LUO Li-zhen

(TaiyuanTongze Complete Equipment Co.Ltd,Taiyuan 030032,Shanxi)

〔Abstract 〕The main performance,structure mode,parameter confirmation, intensity caicuiation of radial elastic pin coupling are discussed. The method of choice and calculation are found. The researches are proved and modified combining laboratory and industial production. The method will play a referenced role in selecting coupling. 〔Key words 〕Coupling; Elasticity; Pin

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第54页）

1) 旋扩机左、右轧辊箱安装时，要准确定位，保证辗轧角，从而生产高质量的钢管。2) 旋扩机顶头夹紧装置的

型式及夹紧顶头的位置，要保证不同规格的顶头有一个相同的定位，方便顶杆小车运行的控制。3) 旋扩机后台一段的升降辊道低位时，与钢管的空间要大一些，避免钢管轧制过程中与辊道摩擦。4) 旋扩机顶杆小车到后工作位，对顶杆的支承和对顶杆前端件的冷却。5) 由于顶杆中有冷却水管、喷液管，顶杆与顶杆小车的连接方式及连接后封水，将是今后改进的方向。

5

结论

热轧大口径钢管在国内才刚起步，特别是旋扩机，作为国内第一台斜轧扩径机组，经过一段时间的实践和摸索后，这种先进高效的生产工艺和生产设备一定会被广大用户认可，创造出更大的经济效益。

参考文献

曾幼宗，颜幼贤. 辊式热扩管机的生产工艺及设备特点[J]，钢管，1997，26(6):18-20.

成海涛. 无缝钢管缺陷与预防第一版[M]，成都·四川科学技术出版社，2007.

[1][2]

Introduction and Perfection of the whorl Rotary Expander Mill

ZHAO Ya-dong, WANG Xiao-yong

(TaiyuanTongze Complete Equipment Co., Ltd., Taiyuan 030032，Shanxi )

〔Abstract 〕In this paper, the effect, composition and production Process of Rotary Expander Mill in Product Line, a few design

characteristics of Rotary Expander Mill,and the place needing to pay attention to in process were introduced , peculiarl demands that the Rotary Expander Mill arisen in procedure of production and improvement and development in equipment the days to come were offered , and the necessary reference and helping for consumer and the designer were provided . 〔Key words 〕Steel pipe; Rotary ; Whorl expands ;Deformation; Design