彈性聯軸器失效原因分析及管理策略

韓傳偉 付云飛 關銀柏

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-1430

摘? 要：彈性聯軸器是一種有效傳遞扭矩的驅動形式，在轉動設備中得到廣泛應用。在使用過程中，設計、選型與維護不當將導致設備出現嚴重故障。本文對一款采用芯型橡膠緩沖塊的彈性聯軸器進行失效原因分析，開展宏觀形貌、傅里葉紅外光譜、體視顯微鏡、力學性能等檢查，并對聯軸器選型進行計算校核。最終，針對這類彈性聯軸器給出了相應管理策略，有效提高了設備可靠性。

關鍵詞：彈性聯軸器? 老化? 對中? 振動

中圖分類號：TL38? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0048-04

Failure Reason Analysis and Management Strategy of Flexible Shaft Coupling

HAN Chuanwei? ?FU Yunfei? ?GUAN Yinbo

（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）

Abstract： Flexible shaft coupling is an effective driving form of torque transmission， which is widely used in rotating equipment. During application， improper design， type selection and maintenance will lead to serious equipment failure. This paper analyzes the failure reason of a flexible coupling with rubber core element， the macroscopic morphology， fourier infrared spectroscopy， stereo microscope， mechanical properties and other inspections are carried out， and checks the type selection of coupling. For this kind of flexible shaft coupling， the management strategy is given， which effectively improves the reliability of the equipment.

Key Words： Flexible shaft coupling; Aging; Alignment; Vibration

旋轉設備通常采用獨立的驅動和被驅動部件，而避免使用同一個軸，聯軸器起到了驅動部件與被驅動部件機械連接與力矩傳輸的作用[1]。聯軸器一般可分為剛性聯軸器與彈性聯軸器，其中彈性聯軸器因可補償一定的偏心，起到減振及緩沖作用，在多種旋轉設備中得到應用[2-3]。

在現場使用過程中，彈性聯軸器將不可避免發生故障與失效，嚴重影響了設備的可用性。因此，有必要對失效的原因進行深入分析，并制定行之有效的預防性管理策略。

1? 背景信息

1.1 失效信息

現場巡檢發現發電機定子冷卻水離心水泵振動較高，已超出技術規程。維護人員立即執行停泵解體維修操作。拆開泵聯軸器，發現其中緩沖塊老化開裂變形且磨出大量黑色粉末，如圖1所示。

如聯軸器緩沖塊完全碎裂，不僅泵組將停運，還將導致金屬齒爪之間出現剛性撞擊，從而進一步造成潛在損害[4-5]。

1.2 基本信息

該離心水泵采用的彈性塊聯軸器為芯型，設計見圖2。驅動端與被驅動端采用金屬爪，中間采用橡膠塊進行緩沖。損壞的橡膠緩沖塊材質為丁腈橡膠，現場使用時間已超過5年。廠家產品手冊中給出了該款聯軸器額定扭矩300N·m，并提示當泵組存在振動時，該聯軸器可接受扭矩降為220N·m。

現場解體檢查時發現，軸之間的同軸度最大偏差為0.225mm，平行度最大偏差為0.345mm，相比同軸度和平行度可接受準則，聯軸器對中已超標[6-7]。

2? 失效原因分析

2.1 試樣制備

為了便于試驗分析與結果比對，對聯軸器橡膠緩沖塊樣品進行編號，其中新樣品（備件）標記為樣品N，失效樣品標記為樣品O，并對橡膠塊按照順時針進行逐一編號，即1#至12#，如圖3所示。

對樣品進行宏觀檢查、紅外光譜檢查及硬度檢查，由于制樣難度較大，未開展力學性能測試。

2.2 宏觀檢查

采用VHX-1000E體視顯微鏡對舊樣品1#（受力點）、2#（非受力點）及新樣品1#橡膠塊進行微觀檢查，結果見圖4。

從圖4中可以看出，失效件樣品O中受力橡膠塊正面形貌明顯顯示橡膠塊開裂，并且受擠壓發生形變，表面粗糙，形變呈現一定程度的相反方向擠壓;非受力橡膠塊雖不如受力橡膠塊開裂受擠壓明顯，但也有部分的擠壓開裂;而未使用過的新橡膠塊樣品N，表面平整、均勻、光滑。

2.3 紅外光譜分析

對O樣品與N樣品分別使用傅里葉紅外光譜分析進行材質鑒定，結果見圖5。傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）執行標準為《橡膠鑒定 紅外光譜法》（GB/T 7764-2001）。

由譜圖（a）與（b）可知，2235.18cm-1為-CN的伸縮振動峰;1646.18cm-1為CH2=CH-的伸縮振動峰;1434.87cm-1處出現-CH2-的特征峰在964.71cm-1出現-CH=CH-的伸縮振動峰。經分析，該材料為丁腈橡膠。對比新舊樣品圖譜，使用過的橡膠緩沖塊在2918.01cm-1及2849.19-1cm處出現甲基-CH3伸縮振動峰，及1434.87cm-1處的亞甲基-CH2-伸縮振動峰均有明顯減弱，經分析是橡膠主鏈及側鏈發生老化裂解所致[8]。

2.4 硬度測試

使用Digi test II多功能邵氏硬度計對新舊樣品的硬度值進行檢測，數據見表1。根據廠家資料，彈性緩沖塊的標準硬度為78 Shore A，而檢測結果顯示新樣品的邵氏硬度明顯小于舊樣品的邵氏硬度，現場彈性緩沖塊已發生老化及擠壓導致材質硬化。

3? 選型校核

對聯軸器緩沖塊的扭矩進行核算，參照標準為《機械式聯軸器選用計算》（JB/T 7511-1994）適用范圍，其計算扭矩Tc為：

（1）

式（1）中：KW為動力機系數，選取“電動機、透平”I型，即取值1.0;K為工況系數，選取“離心泵”1類，即取值1.00;KZ為起動系數，主動端起動頻率≤120次/h，即取值1.0;Kt為溫度系數，環境溫度約30～60℃，采用丁腈橡膠，即取值1.0;T為理論轉矩，T=9550，PW為驅動功率（kW），取值為90kW，n為工作轉速（r/min），取值為2978r/min，得出理論轉矩為289N·m。

根據式（1），得到彈性聯軸器的計算扭矩Tc為289N·m，選型雖然滿足要求的額定扭矩TKN，即300 N·m，但裕度較為有限，且泵組在振動時，計算扭矩已經超過規定的220 N·m。

4? 結論與建議

4.1 結論

根據現場檢查、試驗分析及選型校核，得出如下結論。

（1）對中偏差大是聯軸器緩沖塊失效的主要原因，通過體視顯微鏡檢查可以發現，緩沖橡膠塊上存在相反方向的壓痕，且中間存在一小段平坦區，說明軸向對中存在偏差。

（2）泵組振動是聯軸器緩沖塊失效的次要原因，現場檢查時發現泵體存在振動。參考彈性塊聯軸器技術規范中對振動的要求，可以看出聯軸器額定扭矩盡管滿足實際扭矩，但已超過振動環境下的規定值。

（3）材料老化是聯軸器緩沖塊失效的一個輔助原因，試驗數據顯示，丁腈橡膠發生了一定程度的老化。現場長期使用未進行定期更換。

4.2 建議

根據以上分析結論，運維單位應針對性的建立彈性聯軸器管理策略，建議主要包括如下。

（1）加強聯軸器對中精度控制。應嚴格按照廠家產品手冊要求對聯軸器進行對中，包括軸向偏差、徑向偏差及角偏差，應對聯軸器上螺栓進行適當緊固，保證其符合要求的力矩[9-10]。

（2）降低泵組的振動水平。對泵組振動進行嚴格控制，定期對泵組振動進行測量，避免實際扭矩超過彈性體聯軸器振動環境下允許的最大扭矩。

（3）改進聯軸器緩沖塊選型。聯軸器的膠塊容易磨損，對對中變化及膠塊減薄比較敏感，丁腈橡膠材質耐油性、耐磨性、動力學性能都較好，但耐候性與耐臭氧老化能力一般，現場失效聯軸器彈性塊已使用接近壽期末，從試驗結果看，性能已有所下降，可考慮選用綜合性能更好的聚氨酯材質緩沖塊。對緩沖塊須根據其老化評估壽命制定定期更換策略，當解體檢查中發現橡膠塊厚度磨損超過原始厚度25%時，也須立即進行更換。

（4）優化泵組切換周期。現場設計時應保證泵的數量具有一定的冗余度，泵組長期運行一段時間后切換至備用泵，可一定程度上提高緩沖塊的使用壽命。

通過以上管理策略的實施，將有效減少旋轉設備的失效，提高設備的可靠性與經濟性。

參考文獻

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