停車設備聯軸器螺栓失效分析

覃海標

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530219）

隨著社會經濟的發展，我國汽車保有量飛速增加，目前已成為全球第一大汽車市場，但隨之而來的停車難問題也日益嚴峻。機械停車設備以其占地少、空間利用高、安全性能好的特點成為了當前停車場的發展趨勢，設備量逐年遞增，品種也不斷完善，但各種問題也不斷出現。2015年，某市一單位的機械式停車設備在存車過程中發生了車輛傾覆墜落，一輛小汽車從車庫5層墜落至2層，造成小轎車嚴重損壞，但無人員傷亡的事故。事故發生的直接原因是車輛載車板提升軸的聯軸器螺栓斷裂引起的。上述事故設備為6層的垂直升降類機械式停車設備，主體為鋼結構連接而成。主要由升降傳動系統如圖1所示、橫移系統、載車板、搬運器、平衡重、控制系統等組成。車輛存取是由提升系統通過搬運器升降到達指定層站后由橫移車板左右移動來存取搬運器上的車輛。升降系統

由電機通過減速箱將轉矩傳到主軸，主軸與減速機、主軸與主軸之間都是用聯軸器聯接，主軸上的鏈輪帶動鏈條實現搬運器的升降，鏈條一端固定載車板，另一端固定的平衡重。

圖1 升降系統

1 設計分析

由上述可知，事故發生的原因為聯軸器的緊固螺栓發生斷裂導致，如圖2所示。夾殼式聯軸器將兩段提升軸聯接起來用螺栓固定而傳遞轉矩。傳動過程中不改變轉動的方向和轉矩的大小。

圖2 聯軸器和螺栓

在轉矩作用下，螺栓受到軸向力的作用，螺栓螺紋部分可能發生塑性變形或斷裂。根據《機械設計》第5-5章可知，對于受拉的螺栓，其破壞形式是螺栓桿螺紋部分發生斷裂，因此，其設計準則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強度。螺栓聯接的強度計算，首先是根據聯接的類型、聯接的裝配情況（預計或不預緊）、載荷狀態等條件，確定螺栓的受力，然后按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑）或校核其強度。

1.1 選型分析

根據《機械設計》和《聯軸器設計選用手冊》可知，聯軸器是根據傳遞載荷的大小、軸轉速的高低、被連接兩部件的安裝精度等參數來選擇。該機械式停車設備的提升系統提升轉速低、轉矩不大、對兩軸的安裝相對位移無要求，可選擇剛性聯軸器，而剛性聯軸器中有套筒式、夾殼式和凸緣式。在滿足使用性能的前提下，制造單位選擇了裝拆方便、維護簡單、成本低的夾殼式聯軸器，符合要求。

1.2 設計驗算

根據制造單位的設計文件，在已知減速器輸出參數的條件下，選用了外徑為110mm、內徑為60mm、連接螺栓為M10的夾殼式聯軸器，如圖3所示。因此，對選用的螺栓進行驗算并校核。

圖3 聯軸器示意圖

聯軸器的聯接螺栓成軸對稱的方式布置，并且只承受轉矩，對其中每一個具體的螺栓而言，其均勻的受到軸向力（包括預緊力）作用，因此單個螺栓的受力F：

式中：R螺栓中心到軸心的距離。

根據《機械設計》第5-5章，先根據連接的受載情況，先求出螺栓的工作拉力F，再根據連接的工作要求選取殘余預緊力F1值，然后按式5-15計算螺栓的總拉力F2。求得F2值后即可進行螺栓的強度計算。考慮到螺栓在總拉力F2的作用下可能需要補充擰緊，故將總拉力增加30%以考慮扭轉切應力的影響。為了保證聯接的緊密性，以防止聯接受載后接合面產生縫隙，應使F1>0。推薦采用的F1為：對有密封性要求的聯接，對于夾殼式聯軸器需要螺栓有一定的預緊力，兩片聯軸器聯接緊密，因此殘余預緊力：

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螺紋聯接件的許用應力與載荷性質（靜、變載荷）、裝配情況（松聯接或緊聯接）以及螺紋聯接件的材料、結構尺寸等因素有關。螺紋聯接件的許用拉應力按下式計算，安全系數S根據《機械設計》表5-10取1.5得：

對于8.8級螺栓的許用應力：

對于12.9級螺栓的許用應力：

于是螺栓危險截面的拉伸強度條件為：

式中：d1螺栓危險截面的直徑，mm；為計算應力，MPa。

若采用12.9級的螺栓：

由計算結果可知，若采用8.8級的螺栓，其最小直徑不能小于16.51mm，若選用12.9級的螺栓，其最小直徑不能小于12.71mm。制造單位最初選擇了8.8級M10×30的螺栓，螺栓的最小直徑d1=8.38mm，不符合要求。事故發生后制造單位已經更換了的聯軸器和螺栓，如圖4所示，聯軸器螺栓為12.9級M20，對其進行強度校核：

表1 光譜分析報告

圖4 M10與M20的螺栓

因此，重新選用的聯軸器和螺栓符合要求。

2 理化分析

將之前斷裂的螺栓作為樣品送到某實驗室進行光譜分析，光譜分析報告顯示其兩件樣品（1#、2#）的含碳量分別為0.284%和0.272%，如表1所示。根據制造單位提供的“聯軸器螺栓、鍵強度計算說明”和相關圖紙顯示，該螺栓的材質為45號鋼，依據《優質碳素結構鋼》（GB/T699—2015），45號鋼的含碳量應為：0.42%～0.50%，故該螺栓材料的含碳量達不到45號鋼的要求。另外，生產廠家提供的生產圖紙上，沒有注明該螺栓執行的國標號或材質、性能等級等方面的要求，如4.8級、8.8級或其他要求，只有型號規格的要求，即M10×30。

3 結語

聯軸器的聯接螺栓斷裂，造成減速機與傳動軸之間動力傳輸中斷，導致載車板傾斜，釀成了本次事故。通過上述設計驗算、理化分析，得出該聯軸器的螺栓設計選擇是有誤的，并且通過理化實驗可以看出，由于制造單位的生產圖紙上沒有注明該螺栓技術要求，因此可能采購了不符合要求的外協產品，還有可能是管理上的缺失，沒有對外協件的質量進行有效的把控。機械式停車設備的升降系統的設計、零部件的選用和安裝是車庫中很關鍵的一個環節，保證其設計的合理性才能保證設備的安全性。