短軸配裝大扭矩彈簧閘塊離合器應(yīng)力缺陷與改進(jìn)

徐元章，劉麗娥

(1.福州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福州 350018；2.福州楓蕊生態(tài)科技有限公司，福州 350003)

0 引言

離心離合器的種類繁多[1]，它是靠離心體產(chǎn)生離心力來(lái)達(dá)到自動(dòng)分離或接合的重要農(nóng)機(jī)傳動(dòng)部件，設(shè)計(jì)選配時(shí)要考慮動(dòng)力輸出的最大扭矩、結(jié)合轉(zhuǎn)數(shù)和打滑轉(zhuǎn)數(shù)[2-5]。一種主動(dòng)輪和從動(dòng)輪不能自由分開(kāi)的一體式大扭矩彈簧閘塊離合器(以下簡(jiǎn)稱為“大彈閘離合器”)，采用兩側(cè)各1件的環(huán)形拉簧串聯(lián)3～4片閘塊并作為彈性元件，通過(guò)主動(dòng)輪的支架軸套套裝在動(dòng)力輸出軸上。現(xiàn)有該種離合器主動(dòng)輪的支架軸套長(zhǎng)度都小于從動(dòng)輪的長(zhǎng)度(本文均指軸向長(zhǎng)度，下同)，當(dāng)它作為本田GX390型汽油機(jī)等輸出軸長(zhǎng)度為60 mm動(dòng)力的大扭矩傳動(dòng)部件時(shí)，一般都是將其安裝在汽油機(jī)輸出軸上，而位于輸出軸外端的皮帶槽部分區(qū)域卻處在無(wú)輸出軸支撐的懸空狀態(tài)，在此稱之為“正向安裝”方式。作為高速運(yùn)轉(zhuǎn)且受到?jīng)_擊力的動(dòng)力輸出連接件，僅運(yùn)行100 h后就產(chǎn)生了輸出軸、鍵、鍵槽和離合器的軸套嚴(yán)重磨損、松動(dòng)等可靠性問(wèn)題。可見(jiàn)常規(guī)的大彈閘離合器存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安裝與應(yīng)力方面的缺陷，且未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道[6-9]。經(jīng)過(guò)產(chǎn)品改進(jìn)后的新型離合器并采用反向安裝的方式，能解決常規(guī)大彈閘離合器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與安裝方面的缺陷而成為大扭矩動(dòng)力輸出的傳動(dòng)部件。

1 現(xiàn)有大彈閘離合器應(yīng)力缺陷分析

1.1 現(xiàn)有大彈閘離合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)《GB/T13575.2—1992普通和窄V帶傳動(dòng)》第2部分，大功率的動(dòng)力需要配裝3～4個(gè)V型B槽的大彈閘離合器才能帶動(dòng)，離合器的兩V型B槽的間距為19 mm，動(dòng)力輸出軸長(zhǎng)度為60 mm的大扭力GX390型汽油機(jī)屬于短軸型的動(dòng)力機(jī)，匹配的3個(gè)V型B槽大彈閘離合器機(jī)件長(zhǎng)度約為GX390型汽油機(jī)輸出軸長(zhǎng)度的2倍，所以現(xiàn)有2～4個(gè)V型B槽的大彈閘離合器主動(dòng)輪的支架軸套一端凹入V型槽皮帶輪側(cè)面20 mm以上，以便緊固螺栓能旋入輸出軸固定，并使螺栓頭能隱藏在V型槽側(cè)面。

1.2 現(xiàn)有大彈閘離合器與安裝方式與故障問(wèn)題

現(xiàn)有大彈閘離合器安裝時(shí)人們常把從動(dòng)輪的內(nèi)輪轂裝在汽油機(jī)輸出軸基部，靠近汽油機(jī)曲軸箱一側(cè)安裝，正向安裝，以利于皮帶的裝卸和整機(jī)協(xié)調(diào)性，而位于輸出軸外端的1～3條皮帶槽區(qū)域的軸心卻處在無(wú)輸出軸支撐的懸空狀態(tài)。作為高速運(yùn)轉(zhuǎn)且受到?jīng)_擊力的動(dòng)力輸出連接件，該離合器僅靠其軸套內(nèi)的兩個(gè)支點(diǎn)來(lái)承受應(yīng)力，由此產(chǎn)生力矩使得兩個(gè)支點(diǎn)受到的應(yīng)力大于材料的屈服壓強(qiáng)而發(fā)生塑性應(yīng)變。2016年風(fēng)送式噴霧機(jī)項(xiàng)目組配套的GX390型汽油機(jī)正向配裝大彈閘離合器在帶動(dòng)離心風(fēng)機(jī)和藥泵運(yùn)行100 h后，發(fā)出傳動(dòng)異響而緊急停機(jī)檢修。

停機(jī)拆卸了大彈閘離合器，結(jié)果見(jiàn)圖1。發(fā)現(xiàn)GX390型汽油機(jī)的輸出軸及其鍵槽、離合器的鍵槽均被磨損，支架軸套中段的內(nèi)管壁被磨損成擴(kuò)管狀，原為6 mm×6 mm×30 mm的正方形鍵被磨損成截面為工字型，固定螺栓出現(xiàn)滑牙而松動(dòng)，且GX390型汽油機(jī)輸出軸內(nèi)側(cè)的墊片被磨損，使得GX390型汽油機(jī)的曲軸箱體被二槽離合器的內(nèi)輪轂側(cè)面摩削而發(fā)出傳動(dòng)異響。

圖1 正向安裝大彈閘離合器100 h后的故障

1.3 現(xiàn)有大彈閘離合器的應(yīng)急修復(fù)

針對(duì)大彈閘離合器存在的上述問(wèn)題及其原因分析，鑒于發(fā)生故障的大彈閘離合器的支架軸套在皮帶輪一側(cè)還有30 mm的支架軸套內(nèi)圓面和鍵槽之前沒(méi)承受應(yīng)力而相對(duì)完好，決定現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大彈閘離合器應(yīng)急修復(fù)。采用焊接后磨削修復(fù)了輸出軸的鍵槽，現(xiàn)場(chǎng)加工了長(zhǎng)60 mm的鍵并采取與常見(jiàn)安裝方式相反的反向安裝法，即皮帶槽位于輸出軸的近曲軸箱體一側(cè)、內(nèi)輪轂位于輸出軸的頂端(以下簡(jiǎn)稱為“反向安裝”)。雖然應(yīng)急維修后采用反向安裝方式的大彈閘離合器會(huì)給皮帶安裝或拆除帶來(lái)不便，并影響了整機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)美感，但大彈閘離合器位于皮帶輪一側(cè)的皮帶槽內(nèi)的支架軸套部位被動(dòng)力輸出軸相對(duì)均勻地承托，改變了原來(lái)大彈閘離合器所受的偶合總拉力由兩個(gè)點(diǎn)來(lái)受力而超過(guò)材料的屈服壓強(qiáng)的安裝缺陷，解決了常見(jiàn)的大彈閘離合器正向安裝產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力缺陷的問(wèn)題，使得藥械能正常運(yùn)行。

2 新型離合器的改進(jìn)

分析大彈閘離合器故障并應(yīng)急維修后，鑒于開(kāi)發(fā)的風(fēng)送式噴霧機(jī)配套大功率GX390型汽油機(jī)動(dòng)力輸出的需要，決定選配一種主動(dòng)輪支架軸套長(zhǎng)度大于從動(dòng)輪長(zhǎng)度的大扭矩的三個(gè)B型槽的大彈閘離合器。但市場(chǎng)上買不到合適的產(chǎn)品，通過(guò)與廠家聯(lián)系改進(jìn)并定制新型離合器，在轉(zhuǎn)速、扭矩等相關(guān)參數(shù)都符合要求的情況下，按固定新型離合器的螺栓形態(tài)試制加工了能反向安裝的新型離合器。圖2為新型離合器反向安裝的裝配圖。

1.全牙長(zhǎng)螺栓； 2.彈簧墊片；3.固定軸塞；4.拉簧；5.離心閘塊；6.摩擦塊；7.支架軸套； 8.內(nèi)輪轂； 9.內(nèi)軸承；10.外軸承；11.外卡簧；12.內(nèi)卡簧；13.輸出軸；14.調(diào)位墊片；15.鍵；16.卡簧防護(hù)擋片組件圖2 新型離合器反向安裝的裝配圖

改進(jìn)后的新型離合器與常規(guī)的大彈閘離合器的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前后大彈閘離合器的主要參數(shù)

在圖3中，新型離合器由離心閘塊、支架軸套、內(nèi)軸承、皮帶輪、外軸承、外卡簧、內(nèi)卡簧、圈簧、卡簧防護(hù)擋片組件等組成，將上述部件按圖3中方位裝配成新型離合器后，將調(diào)位墊片和鍵按圖示設(shè)置，把穿過(guò)彈簧墊片、固定軸塞后全牙長(zhǎng)螺栓的螺紋旋進(jìn)輸出軸的中心螺孔內(nèi)鎖緊，與現(xiàn)有的大彈閘離合器相比，新型離合器顯著特點(diǎn)是支架軸套的長(zhǎng)度大于從動(dòng)輪的長(zhǎng)度。

采用新型離合器及其反向安裝方式，通過(guò)300 h的可靠性試驗(yàn)證明這樣的改進(jìn)設(shè)計(jì)是可靠的，可克服動(dòng)力輸出軸偏短而不能全部承托整個(gè)新型離合器所產(chǎn)生的應(yīng)力缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞問(wèn)題，5年多來(lái)新型離合器在風(fēng)送式噴霧機(jī)等裝備作為的大扭矩傳動(dòng)部件應(yīng)用，未出現(xiàn)任何故障或可靠性問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或選配大扭矩的大彈閘離合器時(shí)，不能只考慮動(dòng)力輸出的最大扭矩等常規(guī)參數(shù)，在動(dòng)力輸出軸短于大彈閘離合器長(zhǎng)度安裝條件下，正向安裝的方式會(huì)使大彈閘離合器與輸出軸之間在運(yùn)行中僅靠?jī)蓚€(gè)點(diǎn)受力，這兩點(diǎn)的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服壓強(qiáng)極限就會(huì)出現(xiàn)磨損和故障和可靠性問(wèn)題；針對(duì)當(dāng)前大彈閘離合器正向安裝短軸上存在的應(yīng)力缺陷，須加長(zhǎng)大彈閘離合器的支架軸套至大于從動(dòng)輪的長(zhǎng)度，還需配有固定軸塞、卡簧防護(hù)擋片組件的輔助結(jié)構(gòu)，采用反向安裝以使得從動(dòng)輪皮帶槽區(qū)域均被動(dòng)力輸出軸承托，使大彈閘離合器與輸出軸之間產(chǎn)生的應(yīng)力由它接觸的“線段”的區(qū)域來(lái)均勻分?jǐn)偸芰Γ朔?yīng)力缺陷解決機(jī)件穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題；在有條件時(shí)，應(yīng)選擇動(dòng)力輸出軸的長(zhǎng)度與大扭矩的新型離合器的軸向長(zhǎng)度相等的動(dòng)力。

通過(guò)對(duì)大扭矩彈簧閘塊離合器的缺陷分析與結(jié)構(gòu)、安裝的方式的改進(jìn)，該新型離合器作為大扭矩傳動(dòng)部件可應(yīng)用于風(fēng)送式噴霧機(jī)、粉粹機(jī)、水泵等須卸載起動(dòng)的農(nóng)林機(jī)械裝備，確保了農(nóng)機(jī)裝備性能的穩(wěn)定。