0 引言
剪銷式安全聯(lián)軸器亦稱安全離合器、扭力限制器，是破壞式安全離合器中應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)，其主要用于偶然過載的傳動系統(tǒng)，以保護主傳動電機和主要傳動部件不會因過載而損壞。河北京誠聯(lián)軸器廠生產(chǎn)的剪切式的安全聯(lián)軸器的主要形式有AYL安全聯(lián)軸器，同時我們還可以生產(chǎn)大扭矩的扭力限制器等，剪切式安全聯(lián)軸器受制造精度和材料均勻性影響，過載時動作精度并不高。這是由于剪斷銷受到軋機頻繁的咬鋼、拋鋼和換向產(chǎn)生的沖擊載荷，造成疲勞損傷累積，其強度也隨時間累積而降低。因此剪斷銷斷裂并不總是在系統(tǒng)過載時才發(fā)生。而且剪斷銷斷裂后經(jīng)常嚴(yán)重?fù)p傷半聯(lián)軸器及聯(lián)軸器導(dǎo)向套，受損的聯(lián)軸器需要經(jīng)常手工鉸制剪斷銷套孔和修復(fù)被撕裂的導(dǎo)向套以恢復(fù)基本的使用功能。因此聯(lián)軸器壽命短，檢修維護時勞動強度大，設(shè)備停車時間長。對日產(chǎn)值近300萬的設(shè)備來說，分析安全聯(lián)軸器的損壞形式，研究改進措施，重新設(shè)計一種長壽命的安全聯(lián)軸器，以避免因安全聯(lián)軸器故障引起的停車事件。
1 結(jié)構(gòu)原理
此聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由導(dǎo)向套和左、右半聯(lián)軸器三大部分組成，其中導(dǎo)向套通過螺栓與左半聯(lián)軸器連接，限定右半聯(lián)軸器在剪斷銷被剪斷時可在套內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。左右半聯(lián)軸器通過剪斷銷傳遞動力，當(dāng)系統(tǒng)過載時剪斷銷被剪斷，右半聯(lián)軸器在導(dǎo)向套中自由轉(zhuǎn)動，動力傳遞中斷。圖1為其簡圖。
2失效形式及原因分析
（1）導(dǎo)向套損壞 從此安全聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)形式很容易看出，當(dāng)系統(tǒng)過載，剪斷銷被切斷時，由于剪斷銷材料熱處理性能的不均勻性，切斷槽斷口并不會完全整齊，斷面往往會出現(xiàn)凸起。如圖2所示。
在轉(zhuǎn)動過程中，因為這個凸起，被剪斷的銷頭在左、右半聯(lián)軸器的限制下，會被頂出一段距離，并可能進入導(dǎo)向套的端面銷套安裝孔。于是，本來已經(jīng)安全脫離的聯(lián)軸器，卻由導(dǎo)向套端面和被剪斷的斷銷頭繼續(xù)傳遞動力。因此，在反復(fù)的沖擊載荷作用下，薄弱的導(dǎo)向套端面被強大的沖擊力擠壓撕裂而損壞，而且剪斷銷套也由于擠壓面的減小，銷套被壓裂，孔壁被壓潰變形，進一步惡化了聯(lián)軸器的使用性能。
（2）半聯(lián)軸器剪斷銷套孔變形過大 通常情況下，安全聯(lián)軸器在首次使用前，左右聯(lián)軸器銷套孔是用絞刀鉸制后配入過盈的剪斷銷套，然后裝入間隙配合的剪斷銷。工作中，左右半聯(lián)軸器銷套孔壁的變形，一是由于剪斷銷斷裂時產(chǎn)生的凸起，在左右聯(lián)軸器錯動時產(chǎn)生的軸向力不但頂出了斷銷，也使銷套被頂出，從而導(dǎo)致銷頭凸起直接沖擊左右半聯(lián)軸器銷套孔邊部，致使銷套孔壁的變形；二是沖擊載荷不斷通過剪斷銷傳遞到左右聯(lián)軸器銷套孔壁，使其不斷受到擠壓，當(dāng)局部擠壓應(yīng)力大于材料的許用擠壓應(yīng)力時孔壁變形，剪斷銷套松弛，而且隨著時間的推移變形加劇。剪斷銷斷裂錯動時引發(fā)孔壁的變形情況如圖3所示。
因此，安全聯(lián)軸器在工作一段時間后，要重新鉸制左右聯(lián)軸器銷套孔，重配剪斷銷套以恢復(fù)使用性能。但是，往往由于生產(chǎn)或其他原因，在鉸制左右聯(lián)軸器銷套孔時銷套孔已變形太大，無法完全通過鉸制孔的方法恢復(fù)其使用性能。如此反復(fù)，安全聯(lián)軸器銷套孔在沒有鉸制到極限尺寸，就因銷套孔已變形太大，使聯(lián)軸器過早報廢。
3 改進措施
3.1 材料改進
3.1.1 半聯(lián)軸器材料改進 原導(dǎo)向套和左、右半聯(lián)軸器三大部分材料均為 ZG45，其材料屈服應(yīng)力為滓s= 310 MPa。剪斷銷材料為 45號鋼，通過淬火+高溫回火處理，其屈服應(yīng)力為滓s ≥480 MPa，抗拉強度為滓b分布在650~800 MPa之間。以其中一種聯(lián)軸器剪斷銷直徑為20 mm，剪斷槽直徑為 16 mm，剪斷銷套外徑初期為30 mm，與半聯(lián)軸器銷套孔壁接觸長度為25 mm為例，要剪斷此銷的瞬時應(yīng)力要超過剪切強度滓b，則在最大抗拉強度為滓b= 800 MPa 時，抗剪強度為：
而且超過了聯(lián)軸器材料屈服應(yīng)力滓s。這就是聯(lián)軸器為什么在工作一段時間后，銷套孔會產(chǎn)生橢圓孔及孔口被壓潰的主要原因。因此，要使擠壓應(yīng)力小于半聯(lián)軸器材料的屈服應(yīng)力滓s，一方面可以通過增大銷套接觸面積，另一方面可以通過選擇屈服應(yīng)力滓s＞ 320.89 MPa 的材料制造半聯(lián)軸器。比如，選擇ZG55，滓s = 340 MPa或屈服應(yīng)力更高的材料。 3.1.2 銷套材料改進 剪斷銷套材料通常采用碳素工具鋼T 8，淬火處理后，硬度大于HRC62。這種材料在通過淬火回+ 火處理后雖然硬度，耐磨性比較高，但強度和塑性不高，承受沖擊載荷的能力比較低。這也是為什么經(jīng)常會出現(xiàn)剪斷銷套破裂的主要原因。因此，在選擇剪斷銷套材料時，要從抗沖擊、耐磨、高強度等幾個方面綜合考慮，最后選擇耐沖擊合金工具鋼6CrW2Si。 3.2 結(jié)構(gòu)改進 3.2.1 導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)改進 由于聯(lián)軸器的破壞形式主要是導(dǎo)向套損壞和聯(lián)軸器銷套孔變形過大引起的，因此，要避免以上兩種損壞形式的發(fā)生，就要從根本上改變其不合理的結(jié)構(gòu)。前面已經(jīng)分析了導(dǎo)向套被破壞的主要原因，所以要使被頂出的斷銷頭不會碰到導(dǎo)向套端面，一種方法就是用擋板堵住導(dǎo)向套剪斷銷安裝孔。但當(dāng)剪斷銷被剪斷后要全部拆掉擋板，待更換所有的剪斷銷后又需裝回?fù)醢澹袝r頂出的斷銷頭也會擠壓擋板，拉脫擋板固定螺栓，同樣會撕裂導(dǎo)向套，給聯(lián)軸器帶來很大的損傷，而且給維護帶來更多不便，因此這種方法并不可靠。另一種方法是把導(dǎo)向套端面加工成后凹形式，即使斷銷頭推出一段距離也不會和導(dǎo)向套端面接觸，也就避免了導(dǎo)向套的破壞�？紤]到導(dǎo)向套只起支撐、導(dǎo)向作用，并不承受沖擊載荷，為了方便加工制造，導(dǎo)向套被設(shè)計成套和套環(huán)兩部分，然后通過焊接筋板連接成一整體后加工成型。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.2.2 半聯(lián)軸器銷套孔改進 另外，由于初始銷套孔擠壓面積過小，雖然通過改變材料可提高其屈服極限，但由于材料的許用擠壓應(yīng)力[滓b]≈ 12 滓s，所以在長期的交變載荷的作用下，銷套孔仍然會發(fā)生變形。因此，要實現(xiàn)聯(lián)軸器的壽命延長，在改變半聯(lián)軸器材料的同時，要增加銷套孔尺寸以增大擠壓面積。由公式滓= FS = F d伊b 可以看出，減小擠壓力F，增加銷套外徑d或半聯(lián)軸器厚度b 的都能使擠壓應(yīng)力滓降低。但減小擠壓力F，也就意味著減小剪斷槽截面積，顯然這種方法是犧牲剪斷銷的壽命來換取聯(lián)軸器的壽命，但同時增加了停車換銷的周期，生產(chǎn)效率受到了很大影響，因此這種方法是不可取的。那么只能采取增大d或b 來降低擠壓應(yīng)力，以實現(xiàn)聯(lián)軸器壽命的提高。若半聯(lián)軸器材料選擇為ZG55，
因此完全符合設(shè)計要求。
3.3 剪斷銷套的安裝方法改進 原半聯(lián)軸器銷套的安裝是在每次手工鉸孔過后，按實測孔徑，通過錘擊法裝入過盈量為0.03 mm 的剪斷銷套。這種不合理的裝配方法，往往造成剪斷銷套容易松動，同樣也是導(dǎo)致半聯(lián)軸器銷套孔變形及導(dǎo)向套撕裂的主要原因。因此，在制造裝配時采用冷裝的方法，使剪斷銷套與半聯(lián)軸器孔形成不可拆卸的過盈配合，從而使剪斷銷套在工作中不至于松脫。
4 結(jié)論
通過研究分析了軋機安全聯(lián)軸器（扭力限制器）的結(jié)構(gòu)和損壞特點，并對主要影響聯(lián)軸器壽命部位進行強度校核，找出了薄弱環(huán)節(jié)，提出了通過重新選擇聯(lián)軸器材料和設(shè)計導(dǎo)向套等結(jié)構(gòu)形式，延長此類安全聯(lián)軸器壽命的方法。采用這種方法，生產(chǎn)中只需用很短的時間更換被剪斷的剪斷銷，省去手工鉸孔，以及更換損壞聯(lián)軸器時占用大量的生產(chǎn)時間，從而實現(xiàn)了安全聯(lián)軸器的真正免維護。因此，極大地減少了安全聯(lián)軸器故障引起的停車時間，降低了維護檢修強度，從而解決了此類安全聯(lián)軸器壽命短，維護檢修占用生產(chǎn)時間長的這一生產(chǎn)瓶頸。
河北京誠聯(lián)軸器廠可以提供以下形式的安全聯(lián)軸器（扭矩限制器）：RW型鋼球式扭矩限制器 RWL型鋼球式扭矩限制器 RWF型滾柱式扭矩限制器 RWC型滾珠式扭矩限制器 TL型摩擦式扭矩限制器 TL-C型摩擦式扭矩限制器 TL-X型摩擦式扭矩限制器 AYL液壓安全聯(lián)軸器 | 
