联轴器在煤矿机械设备中的研究和应用

胡勇

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006）

1 前言

随着我国矿产资源开采向着机械化和智能化的方向快速发展，煤矿传统的人工开采逐渐被机械开采所取代，机械化程度越高，工人劳动强度越低，采掘效率越高。但装备制造技术的制约及矿井复杂恶劣的自然条件的影响，使设备的可靠性和使用寿命受到了严苛的考验，而作为机械传动的枢纽，联轴器的使用和发展必将影响和制约矿用机械设备的使用和发展【1】。它不仅起到连接工件的作用，更是起到传递扭矩的作用。然而地质条件的恶劣，加上机械结构设计的多样性和复杂性，联轴器如果没有正确地设计、选型和使用，便不能充分发挥其传递扭矩的作用，引起设备故障频发，造成设备停机，给检修人员带来不必要的工作负担，严重时影响煤矿的生产，甚至造成人员伤亡，给煤矿采掘带来不可估量的损失。因此对各类型联轴器深入研究探索就显得十分必要。

2 联轴器故障成因

连轴器的形态多样，使用环境和工况存在很大差异，因此在不同的工作场合，其使用寿命也不尽相同。由于联轴器起连接和传递扭矩的作用，瞬间冲击是导致联轴器损坏和发生故障的直接原因。当负载过大或者瞬时冲击力过高时，该扭矩将直接作用在联轴器上，造成联轴器的损坏。同时，在加工制造过程中，如果联轴器轮齿表面渗氮处理不充分，引起轮齿硬度不均匀，也易发生断裂或脱落等损坏现象【2】。

联轴器作为连接元器件，根据连接形态和用途主要分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器，见表1。

刚性联轴器连接要求极高，需要被连的两个工件轴线必须保证在同一轴线上，对工件的加工精度要求比较高。由于没有缓冲特性，刚性联轴器经常出现打齿、花键被冲击力剪切的现象。如果安装座发生变形导致安装轴线发生偏移，或两轴心不在同一轴线上，联轴器拆装将十分困难。挠性联轴器能够补偿位移差值，同时兼顾缓冲和减震功能，被广泛应用在各种机械设备部件的轴向连接上传递扭矩。由于存在位移补偿，必定有一定的安装间隙，因此挠性联轴器存在的故障主要是花键、轮齿的磨损，尤其是弹性元器件的磨损。安全联轴器的主要功能是过载保护，当负载力矩大于设备扭矩设定值时，联轴器损坏，从而保护工件不受损坏。

3 煤矿机械常用的联轴器

3.1 凸缘联轴器

凸缘联轴器如图1 所示，它是一种固定式刚性联轴器，其特点是结构简单，制造方便，要求连接的两个工件具有相同的瞬时转速，同时对工件的加工精度和安装精度有很高的要求。受到负载作用导致工件变形以及温度变化等因素引起两轴的相对位置变化时，往往不能保证严格的对中，给联轴器的拆装带来极大的困难。因此，选用凸缘联轴器，必须要保证所连接工件的加工精度和安装精度要求，保证所连接的两个工件有较高的同轴度，以免产生附加动载荷[3]。

图1 凸缘联轴器

3.2 套筒联轴器[4]

作为一种刚性联轴器，套筒联轴器经常被应用到机械设备的各种场合。套筒联轴器的工作原理与凸缘联轴器类似，实现的目的是将两个同轴线的工件通过刚性连接，达到传递扭矩的作用，如图2 所示。套筒联轴器无法补偿两轴线的位移差，也不具备缓冲和减震的特性。

图2 套筒联轴器

3.3 齿轮联轴器

齿轮联轴器属于可移动式刚性联轴器，由内齿、凸缘的外套筒和带有外齿的内套筒几部分组成,如图3 所示。齿轮联轴器经常应用到煤矿机械的各种领域，比如掘进机截割电机和截割减速器之间的连轴器就是齿轮连轴器，它的优点很多，比如传递扭矩值大，拆卸方便，安装简易。这种联轴器有齿轮的存在，需要润滑剂对齿轮进行保养，从而延长其使用寿命。齿轮联轴器发生故障的原因主要是润滑油的缺失或不足，以及轴向位移差过大，超过了联轴器的补偿范围，从而造成局部受力磨损或产生附加力矩，影响联轴器的正常运行，造成齿轮磨损、断齿直至不能工作[5]。

图3 齿轮联轴器示意图

3.4 弹性联轴器

弹性联轴器带有弹性体（见图4），能够运用平行或螺旋切槽系统来适应各种偏差，精确传递扭矩。弹性联轴器的优点主要有：可实现零回转间隙同步运转；具有较高的扭矩刚性和灵敏性；可补偿各种径向、轴向及角度偏差；具有免维护和抗油污抗腐蚀特性；具有减震和缓冲特性。由于优势明显，在很多步进、伺服系统的实际应用中，都能用到弹性联轴器。文献[6]详细分析了某种发电机组用弹性联轴器出现的撕裂故障，对选型、制造质量、对中超差以及转速波动等可能影响联轴器损坏的影响因素进行了分析，为弹性联轴器的选型和故障分析提供了参考。

图4 弹性联轴器示意图

3.5 万向联轴器

在机械设计制造过程中，一些扭矩可能需要向不同的方向进行传递，或者在设计过程中，由于布局位置的局限性，两个工件间的扭矩传递不在同一轴线上，就无法再选用别的联轴器，需要用到一种特殊的联轴器：万向联轴器。图5所示为十字轴式万向联轴器[7]。

图5 万向联轴器示意图

万向联轴器一般由传动轴、万向十字轴和叉型接头等组成。图5 中传动轴1 将扭矩通过万向十字轴2 与叉型接头3 连接，并通过另一个万向十字轴的连接和传递作用，最终将扭矩传递给传动轴4，从而实现了扭矩的传递。万向连轴器最主要的特点就是具有较大的角度补偿能力，能够改变扭矩的传递方向，其结构紧凑，传动效率高，可实现5°-45°之间角度连接。在实际应用过程中，万向联轴器根据传递的扭矩大小分为轻型、中型和重型。目前，在汽车行业、农业机械、工业机械等运动机械上大量使用万向十字轴式联轴器。由于广泛应用，绝大多数万向联轴器已经逐渐规格化或标准化，设计者可直接根据所需环境选用。选取万向联轴器主要考虑的因素包括：（1）传递扭矩的大小和性质以及对缓冲减振功能的具体要求；（2） 两工件轴心相对位移的大小和方向；（3）联轴器的可靠性和使用环境；（4）传递转速的高低和引起离心力的大小等。

3.6 安全联轴器

安全联轴器作为一类特殊的联轴器，其结构形态与普通联轴器类似，不仅能实现两工件间的连接和扭矩传递的作用，更能保护工件不受过高负载的损害。在矿用机械领域，安全联轴器的应用会极大保护机械设备不受损坏，保障生产接续顺利进行[8]。其主要工作原理是：当连接的主动件和从动件所传递的扭矩或承受的负载力矩过大，超过了联轴器扭矩设定值时，安全联轴器就会以打滑的形式限制传动系统所传动的扭力，当过载情况或故障情况消除之后，安全联轴器又会自行恢复联结。这就防止了设备损坏，避免了更加严重的停机损失或机械损坏。但在安全连轴器的设计和选型上，也要根据实际使用情况合理应用，避免因联轴器本身的设计问题导致机械故障[9]。

仅使用了机械式的力矩限制器就能快速切断主动件和从动件之间的联系，避免过载，保护工件不受损坏，安全联轴器存在诸多优点：（1）力矩控制范围宽，控制精度高；（2） 具有定转矩特性，不会随外界因素改变；（3）在润滑差的情况下能够传递一定扭矩，无冲击、振动、噪声，运行平稳；（4）结构简单体积小；（5）过载能够预警和保护；（6）重新连接后可保持原始位置不变。

4 结论

不同的应用场合，选用联轴器时需要综合考虑以下影响因素：使用工况、安装空间、传递扭矩的大小、传递扭矩的方向、是否考虑过载预警和保护以及制作成本等。例如在煤矿机械领域，采煤机的截割机构在设计时已经做到高精度的同轴度，同时要求传递的扭矩值很高，这时就可以选用齿轮连轴器或套筒联轴器；在农业机械和汽车领域，由于传动跨距大，扭矩传递方向可能发生变化，扭矩传递值不必和矿用采掘机械一般高，可以选用万向联轴器；在机床应用等某些需要应用到过载保护和预警的场合用安全联轴器。

本文列举了常用的几种联轴器，分析了各类联轴器的使用场合和各自优缺点，为煤矿机械设备联轴器的选型和设计提供依据，同时也为非煤机械设备提供参考。