裝船機(jī)懸臂聯(lián)軸器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)及制造

張 楠

（唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司設(shè)計(jì)有5 個(gè)專業(yè)化煤炭裝船外運(yùn)泊位，包括5 萬(wàn)DWT 泊位1 個(gè)、7 萬(wàn)DWT 泊位2 個(gè)、10萬(wàn)DWT 泊位2 個(gè)。碼頭設(shè)計(jì)年運(yùn)量為5000 萬(wàn)噸。

目前港區(qū)布置有4 臺(tái)德國(guó)蒂森-克虜伯品牌的移動(dòng)非回轉(zhuǎn)式裝船機(jī)，包括有走行、尾車、伸縮、俯仰、懸臂、溜筒等機(jī)構(gòu)，俯仰工作角度為-12°～+15°，懸臂皮帶帶寬2200 mm，其額定運(yùn)輸能力為6000 t/h，輸送煤能力優(yōu)越。

裝船機(jī)懸臂機(jī)構(gòu)上布置有雙驅(qū)動(dòng)裝置，包括電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器。其中聯(lián)軸器為進(jìn)口品牌，價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)達(dá)半年，且內(nèi)部配件無(wú)法單獨(dú)購(gòu)買。為了減少備件費(fèi)用支出，充分響應(yīng)“降本增效”的號(hào)召，縮短備件采購(gòu)周期，確保現(xiàn)場(chǎng)備件充足，對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造[1-3]。

在聯(lián)軸器設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中，以國(guó)標(biāo)為設(shè)計(jì)依據(jù)，充分考慮其配件的互換性，為以后備品備件的改進(jìn)提供了依據(jù)。采用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器進(jìn)行應(yīng)力校核[4-5]，表明新型聯(lián)軸器可以滿足實(shí)際使用要求。國(guó)產(chǎn)制造的聯(lián)軸器大大降低了成本，并在實(shí)際中取得了應(yīng)用。

1 懸臂聯(lián)軸器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)用進(jìn)口懸臂聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

唐山曹妃甸港務(wù)有限公司現(xiàn)用SL1、SL2 裝船機(jī)原裝聯(lián)軸器類型為彈性梅花聯(lián)軸器，梅花軟連接“花瓣”采用橢圓形，其許用轉(zhuǎn)速為1850 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為7200 N·m，半聯(lián)軸器及梅花軟連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 梅花軟連接結(jié)構(gòu)

1.2 懸臂聯(lián)軸器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)梅花軟連接的“花瓣”為圓形（圖2），與現(xiàn)場(chǎng)使用的軟連接橢圓形“花瓣”不一致，無(wú)法通過(guò)直接選型的方式進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代。通過(guò)查閱資料，國(guó)標(biāo)聯(lián)軸器整體尺寸也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符，需要對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。

圖2 國(guó)產(chǎn)彈性梅花聯(lián)軸器軟連接結(jié)構(gòu)

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

其中，T 為理論轉(zhuǎn)矩；Pw為驅(qū)動(dòng)功率；n 為工作轉(zhuǎn)速；Kw為動(dòng)力機(jī)系數(shù)；K 為工況系數(shù)；Kz為啟動(dòng)系數(shù)；Kt為溫度系數(shù)；Tn為公稱轉(zhuǎn)矩。

懸臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)銘牌標(biāo)注，Pw=200 kW，n=1486 r/min。對(duì)于電機(jī)，動(dòng)力機(jī)系數(shù)Kw=1.0。查表可知工況系數(shù)K=1.5，啟動(dòng)系數(shù)Kz與啟動(dòng)頻率f 有關(guān)，裝船機(jī)懸臂啟動(dòng)頻率f＜120 次/h 時(shí)，Kz=1.0。環(huán)境溫度在-20～30 ℃時(shí)，溫度系數(shù)Kt=1。將上述參數(shù)代入公式（1）中計(jì)算可得：Te=1928 N·m。因此，設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器額定轉(zhuǎn)矩要大于1928 N·m，方可滿足實(shí)際需求。

懸臂電機(jī)軸直徑為80 mm，懸臂減速機(jī)軸直徑為70 mm，由國(guó)標(biāo)GB/T 5272—2002《梅花形彈性聯(lián)軸器》，查找大致符合要求的聯(lián)軸器型號(hào)，發(fā)現(xiàn)LMZ9-I-400 型基本符合要求[6]。據(jù)此對(duì)半聯(lián)軸器端面進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，安裝尺寸參考現(xiàn)有進(jìn)口聯(lián)軸器，確保滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸需求。

設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器，并采用Solidworks 軟件繪制的三維爆炸圖（圖3、圖4）。

圖3 國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器裝配圖

圖4 國(guó)產(chǎn)彈性梅花聯(lián)軸器爆炸圖

2 有限元分析及應(yīng)力校核

采用Solidworks 軟件中的Simulation 模塊對(duì)設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器進(jìn)行仿真分析（圖5a））。對(duì)半聯(lián)軸器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為44 718，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為70 366（圖5b））。半聯(lián)軸器承受電機(jī)軸作用在鍵槽和套筒處的扭矩以及梅花軟連接對(duì)金屬爪的反作用扭矩。由于原進(jìn)口聯(lián)軸器的許用扭矩為7200 N·m，遠(yuǎn)大于計(jì)算值1928 N·m，所以對(duì)標(biāo)進(jìn)口聯(lián)軸器載荷數(shù)值，施加7200 N·m扭矩進(jìn)行應(yīng)力校核（圖5c））。對(duì)套筒圓柱面施加扭矩，在梅花軟連接處對(duì)聯(lián)軸器金屬爪反作用面施加約束（圖5d））。

圖5 半聯(lián)軸器三維仿真模型

設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器材料選用45#鋼，將材料屬性輸入到有限元分析模型中（表1）。

表1 45#鋼材料屬性

經(jīng)仿真計(jì)算，得到半聯(lián)軸器的等效應(yīng)力云圖（圖6）。其中，最大應(yīng)力位于金屬爪根位置，最大應(yīng)力值為231 MPa，遠(yuǎn)小于所用材料的屈服強(qiáng)度335 MPa。因此設(shè)計(jì)的新型國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器符合實(shí)際使用要求。

圖6 半聯(lián)軸器等效應(yīng)力云圖

3 國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器制造及應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制造國(guó)產(chǎn)化聯(lián)軸器，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試裝。該聯(lián)軸器安裝尺寸匹配，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能夠替代原有進(jìn)口聯(lián)軸器（圖7）。

圖7 國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器

國(guó)產(chǎn)化后的聯(lián)軸器制造費(fèi)用僅為1600 元，而原進(jìn)口聯(lián)軸器采購(gòu)費(fèi)用高達(dá)18 996 元，國(guó)產(chǎn)制造成本僅為進(jìn)口聯(lián)軸器的8.4%，大大降低了備件成本。該聯(lián)軸器易損件梅花軟連接采用國(guó)標(biāo)規(guī)格，采買方便，極大縮短了供貨周期，并實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)其他聯(lián)軸器的軟連接互換，減少備件種類，簡(jiǎn)化設(shè)備管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)國(guó)標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一種新型非標(biāo)梅花聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器尺寸參數(shù)能夠滿足裝船機(jī)懸臂驅(qū)動(dòng)安裝配合需求。利用Solidworks 軟件進(jìn)行三維建模，并通過(guò)Simulation 模塊進(jìn)行有限元分析，仿真結(jié)果證明設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。對(duì)設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器進(jìn)行加工制造，并投入實(shí)際應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)聯(lián)軸器成本僅為原進(jìn)口備件的8.4%，有效降低了備件費(fèi)用。并采用國(guó)標(biāo)軟連接，供貨周期短，通用性強(qiáng)。