弹簧销联轴器的失效分析及改进设计

5 结束语
对弹簧销联轴器进行上述改进能简化结构，降 低成本。经静态试验证明，改进措施切实可行。并且， 改进后的联轴器在内蒙古东胜电厂磨煤机上连续运 行十个月且情况良好， 这也说明该改进设计的成 功。改进后的弹簧销联轴器设计已获得国家专利(专 利号：ZL200820114615.7)，并于 2009 年 12 月 12 日 在中国机械通用零部件工业协会传动联接件分会二 届二次年会上通过国家标准审核。
(c) 失效的柱销孔 图 2 联轴器失效情况 Fig.2 The failure of a coupling
弹簧销
间隙
o1 o
o2
半联轴器
旋向
图 3 销、孔配合简图 Fig.3 The fitting of pin and bore
的柱销过孔间直径差为 3.0 mm，当弹簧销挠度过大 超过 1.5 mm 后，引起柱销与过孔表面接触，导致主 要负荷集中在柱销上， 且由于接触应力过大致使柱 销迅速磨损。当磨损达到一定程度后，柱销因无法承 受过大应力而断裂。柱销失效后，全部负荷集中作用 在弹簧销上，使得其挠度迅速加大，同时又由于弹簧 销内钢丝无序排列， 在杯套内表面与钢丝间产生间 隙，造成销孔、弹簧钢丝磨损及弹簧销中的连杆与杯 套脱开，最终导致弹簧销散架。
第 23 卷 第 3 期
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2010 年 8 月
燃气涡轮试验与研究 Gas Turbine Experiment and Research
Vol.23,No.3 Aug.,2010
弹簧销联轴器的失效分析及改进设计
潘 元， 万世华， 张富存
(中国燃气涡轮研究院，四川 江油 621703)
摘 要： 本文针对弹簧销联轴器在实际应用过程中出现的失效情况进行了分析，并对其进行了改进设计，该改进能简 化结构、降低成本。 经静态试验证明，改进措施切实可行。 关键词： 联轴器；失效；改进 中图分类号： TH133.4 文献标识码： A 文章编号： 1672-2620 (2010) 03-0056-03
对 改 进 前 后 额 定 扭 矩(6 100 N·m)相 同 的 两 个 THXC-10 型联轴器进行静态试验对比，试验结果见 图 5 及表 1。
从 图 5 和 表 1 的 对 比 中 可 看 出 ，80%~100%额 定载荷的平均扭转刚度和 100%~150%额定载荷的 平均扭转刚度在改进前变化较大，这是由于弹簧销
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燃气涡轮试验与研究
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联轴器直接联接，另一端通过辐板、柱销与从动端半 联轴器联接。 原设计想通过此种方式来改善弹簧销 的受力形式、提高承载能力，但结构中柱销占据了弹 簧销的位置，致使弹簧销数量减少，反而降低了承载 能力。 多个柱销联接辐板与从动半联轴器产生过定 位，导致加工精度提高、难度加大，弹簧销受力不均。 同时，又存在由辐板、柱销、外筒、从动端半联轴器组 成的框架结构，造成联轴器零件数量多、结构复杂。 2.2 工作原理
值/mm
改进前 改进后
7.75×105 7.85×105
7.95×105 9.40×105
9.00×105 9.88×105
1.375 1.240
内钢丝与杯套间的间隙所引起的， 但在相同载荷条 件下，改进后的平均扭转刚度变化趋于稳定。再根据 平均扭转刚度和相对位移变化值可看出， 联轴器改 进前后两组数据变化很小，平均扭转刚度很接近。从 扭转刚度方面考虑，此改进措施切实可行。
和用于安县水泥厂水泥磨机上的 THXC-10 型联轴 器在使用过程中均出现过柱销断裂、 中间部分磨损 严重，弹簧销中的弹簧钢丝中间部分磨损、弹簧销散 落，主、从动半联轴器上弹簧销孔磨损严重，主动端 半联轴器上的柱销孔已磨成椭圆形并伴随有表面压 溃等现象，如图 2 所示。 3.2 失效分析
根椐弹簧销联轴器的结构和工作原理， 本文对 上述失效情况进行了分析， 认为造成弹簧销联轴器 失效的主要原因有：
杯套
柱销 辐板
弹簧销
从动半 联轴器
主动半
联轴器
F
弹簧销
图 1 弹簧销联轴器结构简图
Fig.1 Spring pin coupling structure
收稿日期： 2010-01-21； 修回日期： 2010-07-16 作者简介： 潘 元(1963-)，男，重庆人，工程师，主要从事非标设备及联轴器设计工作。
表 1 扭转刚度对比 Table 1 Comparison of torsional stiffness
平均扭转刚 度/(N·m/rad)
80%~100% 额定载荷的 平均扭转刚 度/(N·m/rad)
100%~150% 额定载荷的 平均扭转刚 度/(N·m/rad)
20%~150% 额定载荷相 对位移变化
套，提高其表面硬度，增强耐磨性能； ②在弹簧销两端留储油空间， 并对弹簧销进行
浸油处理，用以改善润滑条件，减少微动磨损； ③加大弹簧销钢丝直径，减小钢丝作用长度，从
而增加其刚度，提高承载能力； ④对杯套内孔及钢丝的直径进行优化， 对钢丝
的排列进行模拟，使钢丝与杯套间产生过盈配合，消 除间隙并减少磨损。 4.2 静态试验
2 改进前的结构及工作特性
2.1 弹簧销联轴器结构分析 图 1 所示为弹簧销联轴器结构简图， 其主要由
半联轴器、辐板、柱销、弹簧销、盖板和外筒组成。 其 中，弹簧销是联轴器的弹性元件，由直线弹簧、杯套、 连杆、定距套和衬套组成。 弹簧销的一端与从动端半
主动半 柱销 辐板 外筒 盖板 从动半
联轴器
联轴器
外筒
镶套 盖板
位 移 /mm
2.0 改进前
1.5
1.0

0.5
改进后
0 0 1000 3000 5000 7000 9000 扭 矩 /N·m
图 5 扭矩-相对位移关系曲线
Fig.5 Relative displacement vs. torque
第3期
图 4 改进后的联轴器 Fig.4 Improved design of the coupling
Failure Analysis and Improving Design of Spring Pin Coupling
PAN Yuan， WAN Shi-hua， ZHANG Fu-cun
(China Gas Turbine Establishment， Jiangyou 621703， China) Abstract： This paper analyzes the failures of spring pin coupling in actual application and puts forward an improving design. The test has demonstrated that the improved design of coupling was applicable, which can effectively reduce the cost due to more simplified structure. Key words： coupling；failure；improvement
4.1 改进措施 (1) 结构改进 ①取消辐板、柱销，增加弹簧销数量； ②简化弹簧销结构，改变其焊缝结构，增加焊接
强度； ③增大弹簧销与孔的接触面积，降低接触应力。 改进后的弹簧销受力形式为悬臂梁， 可减小弹
簧销长度，减少配合面数量，从而简化了结构。 (2) 针对失效进行的改进 ①对联接半联轴器与弹簧销的法兰孔进行镶
1 引言
弹簧销联轴器是一种金属弹性元件联轴器，具 有减振、缓冲和补偿量大等特点。与非金属弹性元件 联轴器相比，它具有承载能力大、使用寿命长、外形 尺寸小、维护方便的优点，但也存在结构复杂、加工 精度要求高、材料利用率低的缺点，并且在运行过程 中出现了弹簧销散落、柱销断裂、销孔压溃等失效缺 陷，严重影响了弹簧销联轴器的推广应用 。 ［1，2］ 本文 通过对弹簧销联轴器失效机理进行分析， 从简化联 轴器结构、降低加工成本和安装难度、提高运行可靠 性方面进行改进设计。
(3) 销孔表面压溃 原设计希望通过减小杯套长度来增大补偿不对 中的能力，但却造成了销孔表面接触应力过大，从而
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潘 元等：弹簧销联轴器的失效分析及改进设计
使销孔表面产生压溃。
4 改进设计
针对加工过程中和实际使用中出现的问题，本 文对联轴器进行了改进设计， 改进后的联轴器结构 见图 4。
半联轴器 弹簧销
联轴器的主动半联轴器通过弹簧销与框架结构 联接从动半联轴器来传递运动和动力。 联轴器可根 据使用情况通过计算调整直线弹簧的数量、 长度和 直径，起到补偿主、从动轴的角向、径向及综合偏差， 吸收振动并缓冲起动冲击和变负荷冲击的作用。
(a) 失效的弹簧销、柱销 (b) 失效的弹簧销孔
3 失效分析
3.1 损坏情况 用于绵阳热电厂磨煤机上的 THX-8 型联轴器
(1) 销孔失效 由于设备的主、 从动轴不对中及弹簧销与半联 轴器的销孔之间采用间隙配合， 导致孔中心与弹簧 销中心不一致， 如图 3 所示，O 为联轴器的中心，O1 为孔的中心，O2 为弹簧销的中心。 弹簧销以孔中心 O1 为圆心作平移运动， 其 频 率 为 联 轴 器 的 旋 转 频 率，长期运行产生微动磨损，使得销孔之间的间隙变 大，对中精度变低，相对速度变大，磨损越来越厉害， 从而导致联轴器销孔因过度磨损而失效。 (2) 弹簧销、柱销失效 在产品设计时， 过多地强调了联轴器对设备的 保护功能、对不对中的补偿能力和缓解冲击的作用。 正常工作时弹簧销的挠度为 1.0 mm 左右，当在带载 起动和运行过程中有冲击时， 由于其刚度不足使得 弹簧销产生较大变形。 因柱销与主动端半联轴器上
参考文献：
[1] 周 明 衡. 联 轴 器 选 用 手 册[M]. 北 京 ：化 学 工 业 出 版 社 ， 2001.