一種錐面過盈連接液壓法裝配應用研究與實踐

王建國，石永進，趙忠，崔橋

（中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502）

1 引言

電機過盈連接和傳動部件裝配主要采用壓入法、溫差法和液壓法。壓入法工藝簡單，但配合表面易損傷；溫差法和液壓法工藝較壓入法復雜，配合表面不易損傷，可重復裝卸[1]。但溫差法用于錐面過盈連接時，部件裝配深度很難控制，而采用液壓法就徹底避免了這些問題，故在目前電機錐面過盈連接部件裝配中工藝優先采用液壓法。本文以一種電機錐面聯軸節的裝配為例介紹了采用液壓法裝配，壓力及液壓介質的確定方法。

2 聯軸節裝配技術條件

轉軸與聯軸節過盈配合結構見圖1，轉軸材料為30CrMo8，聯軸節材料為30CrNiMoV9，轉軸和聯軸節均調質處理。轉軸外徑da=220mm，接合面最大圓錐直徑df=124.759mm，聯軸節內徑di=31mm，結合長度lf=141.2mm，聯軸節與轉軸結合面錐度C=1：30，電機轉軸和聯軸節屈服強度σS2=σS1=785MPa，電機轉軸和聯軸節的彈性模量E2=E1=2.1 ×105MPa。電機轉軸和聯軸節泊松比 μ2=μ1=0.3。傳遞轉矩M=9.332kN·m，壓入深度X=9~9.5mm。轉軸接合面的輪廓算數平均偏差Ra=0.0004mm，聯軸節結合面的輪廓算數平均偏差Ra=0.0008mm。

圖1 電機轉軸與聯軸節過盈配合結構圖

3 轉軸與聯軸節圓錐接合面表面結合壓強計算

第一，根據聯軸節壓入深度計算聯軸節接合面配合過盈量Y。

第二，軸孔與聯軸節實際結合壓力計算。

第三，聯軸節裝卸油壓Px。Px=1.1[Pfmax]=247 MPa。

第四，壓入力計算。Fxi=PXπdmlf（μ+C/2）=496kN，式中：μ——摩擦因數取0.02。

第五，壓出力計算。Fxe=PXπdmlf（μ-C/2）=45kN。

4 不同液壓介質在不同溫度下的流量

4.1 液壓設備對液壓介質的性能要求

在液壓系統中，液壓介質的主要作用是：作為液壓系統中的能量控制、轉換和傳遞的工作介質。此外，液壓介質還具有一定的其他重要作用：潤滑液壓元件，減少系統摩擦和磨損；防止液壓元件生銹和受腐蝕，冷卻液壓元件，帶走液壓系統中磨損產生的粉末、粉屑等。

在本電機聯軸節裝配中，液壓系統膨脹泵采用高壓氣動液體增壓泵，同時考慮管路密封等，按經驗液壓系統效率η取80%。本電機聯軸節裝配選擇SKF LHMF 300和甘油作為液壓介質。

4.2 校核計算

液壓介質選定后，需根據連接部件裝配后，在該液壓介質潤滑條件下的摩擦因數，校核傳遞扭矩。

第一，實際最小結合壓力計算。

第二，傳遞最小載荷（扭矩）。

式中μ為摩擦因數取0.12。不論采用SKF LHMF 300還是甘油，傳遞扭矩（82.752kN·m.＞9.553kN·m）均能滿足要求。

4.3 不同溫度對液壓油粘度的影響

當液體受剪切外力的作用變形時，液體分子間的內聚力對變形產生某種方式的抵抗，并且在液體層與層間存在分子動量交換。液體分子的粘性主要來源于分子間內聚力。溫度升高時，液體分子間距離增大。內聚力隨之下降而使粘度下降。根據Walther修正經驗公式，其表達式如下所示：

式中：vt為t℃時運動粘度，T為潤滑油的絕對溫度（=273+t），a，b為常數。

① SKF LHMF 300液壓油25℃、30℃、35℃時對應粘度計算：由式（1）和 20℃、40℃聯合求得a=1.231；b=-0.367，則由式（1）求得 25℃、30℃、35℃時對應粘度分別為：η25=1120 mPa·s；η30=1080 mPa·s；η35=1043mPa·s。②甘油（丙三醇） 液壓油30℃、35℃、40℃時對應粘度計算：由式（1）和 20℃、25℃聯合求得a=12.7072；b=-5.2466，則由式（1）求得 30℃、35℃、40℃時對應粘度分別為：η30=40mPa·s；η35=27mPa·s；η40=24mPa·s。

4.4 計算不同液壓油不同溫度下流量

液壓技術中，縫隙中的流體流動，由于縫隙很小，一般總是層流。根據牛頓內摩擦定理導出環形縫隙中的流體流動流量公式如下所示

式中：qv——流量（m3/s）；D——接合面直徑（m）；δ——縫隙高度=9.5/30=0.317×10-3（m）；△p——縫隙長度兩端的壓差（Pa），本電機為將管路出口流量折算到增壓泵出口流量等效壓力=247/0.8=309MPa；η——流體的動力粘度（Pa·s）；l——縫隙長度（m）。

由式（2）分別計算SKF LHMF 300和甘油在壓力309MPa，溫度 20~40℃時的流量（見表 1）。

表1 SKF LHMF 300和甘油壓力309MPa，溫度20~40℃時流量

通過表1可以看出，本電機聯軸節裝配液壓系統泵出口流量為8ml/s，液壓介質采用甘油時，在溫度高于25℃時，液壓設備泵出口流量無法滿足要求，要想達到裝配要求，需增加液壓設備泵出口流量，在采用SKF LHMF 300時，環境溫度在20~40℃時，采用該設備液壓設備泵出口流量均能滿足要求。

5 聯軸節裝配實例驗證

選用任意6臺電機進行聯軸節裝配，裝配環境溫度為27.3℃，其中2臺液壓介質采用甘油（序號1、2），測量膨脹壓力約240~250MPa左右，推進量約為7mm左右，轉軸內孔無法繼續膨脹，無法達到裝配要求；其余4臺液壓介質采用SKF LHMF 300，膨脹壓力約300~310 MPa，推進量大于9mm，推進壓力約475~495kN。具體數據見表2。

表2 裝配結果統計數據

6 結論

①在錐面過盈連接采用液壓法裝配，液壓介質應具有合適的粘度和良好的粘溫特性。②對于錐面過盈連接傳動部件，采用液壓法裝配，在選用液壓設備時，需考慮液壓設備泵出口流量。③對于錐面過盈連接傳動部件，采用液壓法裝配，需考慮該液壓介質對部件配合面傳遞扭矩的影響（可慮介質摩擦因數）；同時應根據液壓設備泵出口流量，確定液壓介質和液壓介質使用溫度范圍。