卷筒联轴器使用特性分析与比较

摘 要：该文主要介绍了冶金起重机中的关键部件--卷筒联轴器，举出了目前比较常用的几种卷筒联轴器型式，并根据其不同的特点进行了比较，着重阐明了各种卷筒联轴器的调整、维护方法。

关键词：卷筒联轴器 冶金起重机 调整 维护

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0088-04

1 概述

在起重机起升机构的传动系统中，起升卷筒与减速器低速轴之间的联接是一个比较关键的部位。过去（20世纪80年代以前）比较常用的连接方式为带齿轮连接盘或开式齿轮连接（见图1a、图1b）。

20世纪80年代改革开放后，随着我国工业技术水平的提高，生产规模和效率的日益提升。原有的卷筒连接方式满足不了现代的工业条件。比如带齿轮连接盘型式，其承受径向载荷的轴由于其结构尺寸受到限制，设计寿命满足不了使用要求，而开式齿轮则因为有齿轮脱啮的因素，其安全性存在隐患。

通过引进消化吸收国外的先进技术。尤其是在冶金行业，冶金起重机的卷筒连接方式有了较大的变化。采用了专用的卷筒联轴器。

目前我国冶金起重机卷筒用联轴器比较常用的主要有三种，即WJ系列卷筒用球面滚子联轴器（以下简称“球面滚子联轴器”），WZL型球铰卷筒联轴器（以下简称“球铰联轴器”）和DC系列卷筒用鼓形齿式联轴器（以下简称“鼓形齿式联轴器”）。

需要说明的是WZL型球铰卷筒联轴器和DC系列卷筒用鼓形齿式联轴器为我国自主研发的卷筒联轴器产品。

三种卷筒联轴器的共同点是，作为一个独立传动部件，通过连接法兰与卷筒连接，联轴器的内套则是直接套装在减速器的低速轴上，通过花键或平键传递扭矩和承受起升载荷。

WJ系列卷筒用球面滚子联轴器的型式和技术要求已作为行业标准JB/T 7009-2007《卷筒用球面滚子联轴器》，其他两种联轴器目前未有标准，在外形联接尺寸以及技术要求上符合上述标准。

三种卷筒用联轴器与减速器的标准配置均为：JB/T 8905.1～4-1999 《起重机用三支点减速器》或JB/T 10816～10816-2007《起重机用底座式硬齿面减速器》。配置其他类型减速器均需要特殊订购。

三种卷筒用联轴器的截面如图2a、b、c所示。

2 卷筒联轴器的工作原理

2.1 球面滚子联轴器

沿圆周分布的球面滚子分别嵌轴器外套的内圆和内套的外圆之间的圆柱形齿孔内，传递转矩并承受径向载荷，由于滚子的球面形状，兼起调心轴承的作用以补偿一定的角位移。

2.2 球铰联轴器

联轴器的外套和内套之间的结合面为完整球面，内外套结合球面之间设置了两个承受剪切力的特殊键用于传递扭矩。

此键嵌入外套的部分为矩形，嵌入内套的部分为圆柱形。其特点是在传递扭矩的同时，可以容忍内外套有一定量的角度位移。

2.3 鼓形齿式联轴器

通过内外齿轮副传递扭矩，在齿圈的边上设置了球面形状的接触面，用以承受径向载荷。

3 卷筒联轴器使用特性

3.1 轴线补偿

由于在实际应用中，减速器低速轴的轴线与卷筒轴线不可避免轴线偏角误差。因此，因此卷筒联轴器都对轴线偏角误差具有一定程度的容忍度，上述三种卷筒联轴器由于其各自的结构不同，允许的轴线偏角误差是不一样的。

（1）球面滚子联轴器，当轴线偏斜时，球面滚子在凹槽中的位置不稳定，会引起噪音和磨损，因此该种联轴器所允许的轴线最大偏角为：1.5 °。

（2）球铰联轴器，由于这种联轴器类似于万向轴原理，当轴线偏斜时，由特殊键进行角度补偿，理论上联轴器内部零件受力情况变动较小，只是滑移量增大，传动效率降低，因此该种联轴器所允许的轴线最大偏角为：3 °。

（3）鼓形齿式联轴器，由于径向定位于内齿轮副有一定的距离，当轴线偏斜时，齿轮副的啮合间隙受到影响，所允许的轴线偏斜量以齿轮副的间隙为限，因此该种联轴器所允许的轴线最大偏角为：0.5 °。

因此看出三种型式的卷筒联轴器中，球铰联轴器对起重机安装精度要求最低。

鉴于上述的情况，建议在卷筒转速较高的场合，优先采用球面滚子联轴器为宜。在卷筒转速较低而尺寸较长的情况下采用球铰联轴器为宜，卷筒长度较短的条件，则选用鼓形齿式联轴器。

3.2 工作噪音

（1）球面滚子联轴器，由于沿圆周分布着30～40个球面滚子，在旋转过程中，因滚子的位置变化而产生噪音较大，尤其磨损后的声音更大。

（2）球铰联轴器，由于主要靠球铰面承受径向载荷，且球铰的尺寸较大，单位接触压力较低，主要是特殊键磨损后会有噪音。

（3）鼓形齿式联轴器，由于主要靠球面承受径向载荷，且球面的尺寸较大，单位接触压力较低，且在低速运转情况下齿轮副即使有间隙也不会产生大的噪音。

因此看出三种型式的卷筒联轴器中，鼓形齿式联轴器的噪音最小。

3.3 失效特征

（1）球面滚子联轴器，主要是联轴器内外套的凹槽磨损，当磨损达到一定程度后，内外套直接接触了，导致联轴器失效。

（2）球铰联轴器，主要是联轴器外套的键槽侧面和特殊键的接触面的磨损，当磨损达到一定程度后，导致特殊键断裂为失效。

（3）鼓形齿式联轴器，主要是齿轮副的和径向定位球面的磨损，显然断齿是其的主要失效现象。

3.4 维护

联轴器的维护要点主要是保证，因此定时对联轴器进行注油是必要的，卷筒联轴器一般都采用油脂，以上三种卷筒联轴器，从结构特点上看出，需要保证的部位无非两种部位，一是传递扭矩的部位，二是承受径向载荷的部位。

（1）球面滚子联轴器传递扭矩和承受径向载荷的就是沿圆周分布的球面滚子，因此要求每个球面滚子都应获得较好的条件。而注油孔是不可能对应于每个滚子的，因此油通道的设计比较重要。也即该种联轴器的条件比较差。

（2）球铰联轴器，靠特殊键传递扭矩，靠球面承受径向载荷。特殊键的比较重要，但是特殊键的数量仅为两个，因此注油孔的位置对应特殊键部位即可，然而球面也不能缺油，因为球面的接触面较大，一旦缺油，将引起较大的摩擦阻尼，使联轴器的工作效率大大降低。而联轴器球铰面存油条件较差，因此该种联轴器的条件也不是很理想的。

（3）鼓形齿式联轴器，靠齿轮副传递扭矩，靠球面承受径向载荷。因此的主要部位是球面接触的部位，而联轴器外套的接触面实际上是圆柱面（仅内套的接触面为球面），因此是线接触，接触面之间可以存油，因此该种联轴器的条件比较理想。

3.5 安全性

首先，卷筒联轴器是起重机的核心部件之一，其破坏的后果直接导致起重机严重的安全事故，因此各种类型的卷筒联轴器，其设计都是严格遵守起重机的技术和安全规范。在起重机安装要求中卷筒轴线与减速器低速轴的轴向偏差都有着严格的要求。因此在联轴器的设计、选用、制造质量和安装精度得到保证的条件下，都有较高的安全系数。在运行过程中，只要保证联轴器的，都可以获得较长的使用寿命。

而起重机部件的故障遇见性比较重要，该部件在发生严重失效前，应有比较明显的异常现象，是操作和检修人员能够及时地发现。另外该部件应有比较有效的措施以保证其安全性。

球面滚子联轴器在实际运行中，球面滚子将随外套的偏摆产生滚摆运动，当摆角较大时，载荷的水平分力将有可能使球面滚子窜动，滚子端面碾压轴向挡环，对轴向挡环产生很大的挤压力，若此挤压力足够大就有可能是轴向限位失效，进而导致端盖螺栓松弛或断裂，滚子在外套的摆动挤压力作用小被挤出甚至脱落，联接失效。

为了保证其安全性，轴向挡环的设计十分重要，建议采用嵌入式轴向挡环（见图3），加大了原有的挡环尺寸并且使挡环与联轴器的内套结为一体，有效地防止球面滚子跌落，大大地提高了联轴器的安全性，不建议采用端盖进行轴向定位的型式。

球面滚子联轴器在过渡磨损时会发生较大的噪音。

球铰联轴器的特殊键（见图4）是十分重要的零件，且数量只有两件，一旦一个特殊键断裂，另一个就要承受全部的扭矩，因此特殊键本身的设计应该考虑到这种情况。即单件承受全载荷。

特殊键的材料、热处理加工都有严格的要求，因为采用了高强度合金钢材料，其裂纹敏感性较高，因此在使用中需要特别关注特殊键的情况，然而特殊键位置在联轴器内部，检测比较困难。而除了保证特殊键的完好之外，目前还没有别的提高该种联轴器安全性的有效方法。

球铰联轴器由于其内部零件之间都是滑动摩擦，因此在过渡磨损时或缺油时会产生很大的阻尼，导致传动效率降低。

鼓形齿式联轴器的失效形式为断齿或者球形承载面磨损，除非全部齿剃光。一般情况断裂的一两个齿，即作人员发现。因此该种联轴器的安全性相对前两种较高。

鼓形齿式联轴器在发生故障时会有较大的异常响声。

3.6 卷筒联轴器的安装特点

由于各种联轴器对轴线偏差的敏感性有异，因此在安装起升机构卷筒是首先应了解所配置的卷筒联轴器类型，并严格按照相应的技术要求进行装配和调整。

球面滚子联轴器和鼓形齿式联轴器本身有轴向间隙（即仅径向定位，轴向浮动），不能承受轴向载荷，因此卷筒的轴向定位点位于卷筒尾部的支座处，卷筒尾轴的轴承需要进行轴向定位以承受轴向载荷。

球铰联轴器则是一个完整铰点，既有径向定位，又有轴向定位。因此配置了该种联轴器的卷筒，其尾轴的轴承应留有轴向游动的间隙，推荐位轴承两端各留>3 mm间隙，轴承座内孔建议采用G8配合。

此外由于球铰联轴器的轴向约束特点，卷筒运转过程中的轴向附加载荷直接作用在联轴器与减速器的低速轴上，因此联轴器与减速器的连接情况需要引起关注。

4 结语

由以上的论述中可以看出各种卷筒联轴器都有着其优点的不足，在掌握其特点的情况下，合理使用和维护，都可以充分发挥其优势。以上三种卷筒联轴器为目前起重机起升机构中使用比较常见的类型。相信随着工业技术的发展，必定会有更加完善的型式出现。

在起重机技术规范中，无论配置了哪种形式的卷筒联轴器，其安装精度的技术要求是一致。卷筒轴线偏斜量越小，联轴器使用效率和寿命越长。

参考文献

[1] 起重机设计手册（机械版）[M].机械工业出版社，1980.

[2] 杨长.起重机械[M].机械工业出版社，1981.

[3] GB/T 3811-2008起重机设计规范[S].

[4] JB/T 7009-2007卷筒用球面滚子联轴器[S].

[5] ZWL型卷筒联轴器样本（乐清市三丰传动有限公司）.

[6] DC系列卷筒联轴器样本（宁波伟隆传动机械有限公司）.