國產(chǎn)上充泵電機聯(lián)軸器的對比分析

李松霖 陳帥 李海泳

摘要：在上充泵泵組的檢修過程中，A廠生產(chǎn)的上充泵電機聯(lián)軸器拆卸困難，而B廠生產(chǎn)的上充泵電機聯(lián)軸器拆卸較為容易。為探究其原因，本文通過理論計算和ANSYS仿真對比分析了兩種聯(lián)軸器的相關參數(shù)，發(fā)現(xiàn)A廠的聯(lián)軸器相較B廠使用的聯(lián)軸器設計裕量大，現(xiàn)場拆卸較為困難。

關鍵詞：上充泵;聯(lián)軸器;ANSYS

引言或概述

上充泵是核電廠重要的核安全設備，現(xiàn)國產(chǎn)上充泵的驅(qū)動電機均為佳木斯電機廠生產(chǎn)的臥式三相異步電機。該電機與齒輪箱連接的聯(lián)軸器主要有A廠使用的WG9-100×120-110×210型聯(lián)軸器和B廠使用的ZAPEX/ZIZS 2.0A型聯(lián)軸器，以下簡稱WG型聯(lián)軸器和ZA型聯(lián)軸器。這兩種類型的聯(lián)軸器傳遞的功率相近，但WG型聯(lián)軸器各項尺寸較ZA型聯(lián)軸器尺寸有較大差異，現(xiàn)場檢修過程中發(fā)現(xiàn)WG型進聯(lián)軸器拆卸困難，ZA型聯(lián)軸器拆卸相對容易。本文通過計算對比分析兩種聯(lián)軸器的相關參數(shù)。發(fā)現(xiàn)WG型聯(lián)軸器設計裕量大，雖然該聯(lián)軸器安全系數(shù)高，但現(xiàn)場拆卸困難，不便于現(xiàn)場檢修。

1 ?國產(chǎn)上充泵電機聯(lián)軸器介紹

國產(chǎn)上充泵電機聯(lián)軸器主要有兩個類型，分別為A廠使用的WG型和B廠使用的ZA型。這兩種聯(lián)軸器均為齒形聯(lián)軸器，該類聯(lián)軸器具有徑向尺寸小，承載能力大，可補償軸向，徑向和角對中偏差。在石油，化工，能源行業(yè)具有廣泛的應用。

2 ?聯(lián)軸器幾何尺寸和材料對比介紹

根據(jù)相關廠家的設計資料，WG型聯(lián)軸器內(nèi)孔與電機軸的過盈量最大為0.13mm，ZA型聯(lián)軸器內(nèi)孔與電機軸的過盈量最大為0.15mm。聯(lián)軸器相關尺寸如圖1所示（括號中尺寸為WG型聯(lián)軸器的尺寸），聯(lián)軸器相關尺寸對比如表1所示。

通過對比相關尺寸，發(fā)現(xiàn)兩種聯(lián)軸器的配合過盈量相當，而對比聯(lián)軸器輪轂厚度和配合長度，WG型聯(lián)軸器大約為ZA型聯(lián)軸器的兩倍。

根據(jù)廠家技術文件，WG型聯(lián)軸器的材料為42CrMo，ZA型聯(lián)軸器的材料為45#鋼，材料相關力學性能見表2。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)WG型聯(lián)軸器的材料無論是抗拉強度還是屈服強度，均比ZA型大很多，說明WG型聯(lián)軸器在設計選材時更加保守。

3 ?聯(lián)軸器傳遞扭矩對比介紹

根據(jù)兩種聯(lián)軸器和電機軸的過盈量以及相關的材料參數(shù)，分別計算出相應聯(lián)軸器傳遞的最大扭矩。根據(jù)彈性理論，過盈配合面的壓力p[1]的計算如下：

①

其中為兩個零件之間的徑向過盈量;r為配合處的公稱半徑;為中空軸的內(nèi)半徑（實心軸時為0）;為包容件外半徑;E和v分別為材料的彈性模量和泊松比。

根據(jù)上充泵電機聯(lián)軸器的工作特性，該聯(lián)軸器主要是傳遞扭矩。該聯(lián)軸器傳遞的最大扭矩為最大靜摩擦力矩T。

T=pfL ? ? ? ? ? ? ? ? ?②

②式中，P為過盈配合面的壓力，f為配合面摩擦系數(shù)[2]，根據(jù)d為配合直徑，L為配合長度。

根據(jù)廠家技術文件，WG型聯(lián)軸器和ZA型聯(lián)軸器傳遞功率均為650Kw，根據(jù)聯(lián)軸器傳遞功率由下③式可以得出聯(lián)軸器實際傳遞扭矩。

③

在③式中，為聯(lián)軸器實際傳遞扭矩，P為聯(lián)軸器傳遞功率，n為電機軸轉(zhuǎn)速。

根據(jù)①②③式可分別計算得出兩類聯(lián)軸器的過盈面接觸壓力，最大傳遞扭矩和實際傳遞扭矩，相關計算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以得出，兩種聯(lián)軸器的過盈面壓力均小于一般鋼軸與鋼制輪轂間的許用擠壓應力（100～150Mpa），兩種聯(lián)軸器的過盈量滿足現(xiàn)場使用要求。通過對比兩種聯(lián)軸器的傳遞扭矩，發(fā)現(xiàn)雖然兩種聯(lián)軸器實際傳遞扭矩相同，但WG型聯(lián)軸器的最大傳遞扭矩為ZA型聯(lián)軸器的2.3倍，一般聯(lián)軸器軸套輪轂與軸的安全摩擦力矩為最大傳遞扭矩的1.5～3倍[3]。通過表3可以看出，ZA型聯(lián)軸器最大傳遞扭矩與實際轉(zhuǎn)遞扭矩之比為3.9，而WG型聯(lián)軸器最大傳遞扭矩與實際轉(zhuǎn)遞扭矩之比為8.8，遠大于標準要求中的1.5～3倍。說明WG型聯(lián)軸器設計裕量遠大于ZA型聯(lián)軸器，雖說WG型聯(lián)軸器的設計對于整個設備來說運行更加安全，但通過聯(lián)軸器幾何尺寸對比可以發(fā)現(xiàn)WG型聯(lián)軸器的幾何尺寸相較于ZA型大得多，給現(xiàn)場的設備空間布置和檢修帶來了額外的困擾。

4 ?聯(lián)軸器拆卸工藝介紹

在現(xiàn)場檢修過程中，聯(lián)軸器的拆卸是一項很有挑戰(zhàn)性的工作，根據(jù)經(jīng)驗，對于過盈聯(lián)軸器，基本上有以下三種拆卸方案。

1）使用氣割或者機加工的方法，直接破壞性拆除聯(lián)軸器外齒套。

2）加熱輪轂拆卸法，利用氧乙炔焰或者中頻加熱器對聯(lián)軸器輪轂外表面進行加熱，短時間內(nèi)使聯(lián)軸器輪轂受熱膨脹（此時電機軸還未被加熱膨脹）直到完全脹開，再對聯(lián)軸器施加一定的軸向力將其拉出。

3）液壓脹開拆卸法，此法是利用聯(lián)軸器的加工孔在聯(lián)軸器和軸的接合面注入高壓油，直到壓力達到接合面壓強，此時液壓油將聯(lián)軸器和電機軸之間完全脹開并形成油膜，再利用千斤頂施加一定的軸向力，使聯(lián)軸器與電機軸之間發(fā)生相對移動，直到聯(lián)軸器完全脫出軸，完成整個拆卸過程。

通過對比3種拆卸方案，方案1需破壞聯(lián)軸器，而且在機加工或者切割的過程中還有可能傷到軸，不滿足現(xiàn)場施工要求;通過分析聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)ZA型聯(lián)軸器設計有高壓油孔，可以利用方案3拆卸。WG型聯(lián)軸器未設計相關油孔，需選擇方案二進行拆卸，而中頻加熱器相較于氧氣乙炔加熱有加熱速度快，受熱均勻，溫度易控制的優(yōu)點，所以WG型聯(lián)軸器更適合使用方案2中的中頻加熱器加熱拆卸。

從表4可以看出，ZA型聯(lián)軸器拆卸時需選用30T千斤頂，而WG型聯(lián)軸器需需要選用70T的千斤頂。通過對比可以看出WG型聯(lián)軸器拆卸更加困難。

5 ?聯(lián)軸器配合有限元分析

通過有限元軟件對表3、表4的理論計算值進行有限元的驗證。使用ANSYS Workbench軟件，分別模擬ZA型和WG型聯(lián)軸器的傳遞扭矩和拆卸過程，分析兩種聯(lián)軸器傳遞扭矩，拆卸軸向力和配合面壓力。

5.1 ?建立聯(lián)軸器的有限元模型

以圖 1幾何尺寸為基礎，在SpaceClaim中分別建立出聯(lián)軸器和電機軸的幾何模型，并分別建立相應材料賦給相應的模型，該有限元模型形狀規(guī)則，設置網(wǎng)格尺寸為0.5mm，三維模型與網(wǎng)格。聯(lián)軸器內(nèi)壁與電機軸外壁相互接觸形成接觸對，設置接觸為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1，為了獲得更好的收斂性利用罰函數(shù)定義接觸關系。

5.2 ?邊界條件和后處理

結(jié)合聯(lián)軸器的實際工況，分為兩個模擬分析，分別為傳遞扭矩分析和拉拔軸向力分析。聯(lián)軸器傳遞扭矩分析邊界條件為電機軸為無摩擦支撐，給聯(lián)軸器施加一個角向位移，使用扭矩探測工具探測聯(lián)軸器傳遞扭矩，使用接觸工具讀出聯(lián)軸器過盈面的壓力值。聯(lián)軸器的拉拔軸向力分析邊界條件為電機軸為無摩擦支撐，給聯(lián)軸器施加一個軸向位移，最后讀取約束反力即為聯(lián)軸器的拉拔軸向力。同理也可使用接觸工具探測出聯(lián)軸器配合面的壓力值。

6 ?結(jié)論

1）WG型聯(lián)軸器和ZA型聯(lián)軸器均滿足核電現(xiàn)場的使用需求，通過分析兩種聯(lián)軸器過盈連接的相關參數(shù)，ZA型聯(lián)軸器同時兼顧了現(xiàn)場使用需求和檢修的便利，過盈結(jié)合面壓力適中，傳遞扭矩滿足現(xiàn)場需求，拉拔軸向力適中，在設計上還有便于拆卸的高壓油槽，便于現(xiàn)場的檢修活動。

2）WG型聯(lián)軸器的材料參數(shù)明顯高于ZA型聯(lián)軸器，聯(lián)軸器接合面壓力，傳遞扭矩和拆卸軸向力均大于ZA型聯(lián)軸器，現(xiàn)場使用安全裕量大。但由此也帶來了一些不利于現(xiàn)場檢修或者現(xiàn)場布置的困擾，例如聯(lián)軸器質(zhì)量偏大;聯(lián)軸器拆卸拉拔力大;聯(lián)軸器沒有設計高壓油槽，只能選擇加熱拆卸等。WG型聯(lián)軸器現(xiàn)場使用裕量大，可以對其進行優(yōu)化設計，例如減小聯(lián)軸器配合長度，減小聯(lián)軸器輪轂的厚度等，在滿足現(xiàn)場使用要求的情況下為現(xiàn)場檢修拆卸提供便利。

參考文獻

[1]李佩鴻.超高壓過盈連接組合圓筒的有限元分析.煤炭技術，2015，第34卷第03期：255.

[2]中國國家標準化管理委員會.極限與配合 過盈配合的計算與選用.GB/T 5371-2004：13

[3]史可忠.無鍵齒式聯(lián)軸器的安全過盈量核算及裝配控制.檢測與控制，2011：134