轧机联轴器安全销的结构优化

　　摘　要：莱钢中型线轧机传动系统安全联轴器的安全销存在材质、结构尺寸和装配精度等方面的设计和加工缺陷，使用寿命较低。通过对安全销的强度校核，材质选用35CrMo，重新确定了安全销颈部直径，改善了尺寸精度和加工工艺，安全销使用寿命提高到3个月，停机事故减少了50%。
　　关键词：轧机联轴器；安全销；材质；颈部直径
　　1　前言
　　莱钢型钢厂中型型钢生产线的万能轧机是精轧机的主体设备，其电机和减速机之间采用型号为KSS447的安全销式鼓形齿联轴器（简称安全联轴器）连接，其工作原理是通过装配在安全联轴器内齿圈上的安全销的过载剪断功能，配合主电机的过载保护系统，实现对轧机主传动系统的可靠保护。安全销作为安全被剪断元件，具有一定的安全保护功能，当设备超负荷运转时，能够瞬间剪断，以保护传动系统的安全。同时安全销还必须具备稳定的可靠性，避免在正常轧制过程中断裂，导致轧件堆钢等事故的发生。在使用过程中发现，安全销频繁出现断裂事故，平均使用寿命为1.5个月，对生产顺行造成较大影响。结合安全销的工况，对安全销的强度进行校核，并进行结构优化，消除了这一设备隐患。
　　2　安全销使用过程中出现的问题
　　安全销使用过程中出现以下问题：1）性能不稳定。安全销安装投入使用初期可靠性较高，但随着使用时间的延长（1个月以后），产生疲劳裂纹并逐渐扩展，导致可靠性降低，出现安全销频繁断裂现象。2）安全销由于选材和热处理不当，强度和韧性搭配不合理，使用过程中，材料在剪断截面上产生塑性滑移变形，使其截面材料脆化而强度降低，Z终导致断裂。3）安全联轴器一般需要同时安装3根安全销，共同承担传递扭矩的作用。在实际生产中，经常出现3支安全销不同时受力的情况，逐个陆续迅速断裂。4）由于材质、结构尺寸和装配精度等方面的设计和加工缺陷，安全销的强度选择过分强调可靠性，使其安全性能降低。
　　3　安全销结构优化
　　3.1 联轴器的结构特点及工作参数
　　中型线精轧机组采用的是带槽销钉式安全联轴器，与普通鼓形齿联轴器的区别是在联轴器的内齿圈上配置有安全销孔，并有一侧的内齿圈被加工成内外两部分的分体结构。装入安全销后，两半联轴器被连接到一起，此时安全销代替铰孔螺栓并传递扭矩。在生产中，当轧机的冲击负荷超过设定值时，安全销断裂，安全联轴器的两半联轴器均啮合正常，但两半联轴器脱离连接，过大的轧机冲击力不会对轧机的主传动系统造成损坏。
　　安全销的主要参数：额定扭矩28636N•m；断裂扭矩78400N•m；材质为45#钢调质处理，屈服强度500MPa，剪切强度561.5MPa；计算剪应力311MPa。
　　3.2 材料及热处理方法选择
　　由于实际工作过程中，轧机的冲击给安全销带来的破坏作用非常大，因此要求材料的冲击韧性指标和抗疲劳能力要比45#钢更加优异。经过综合试验，并考虑其经济性等各方面因素，选择了35CrMo作为替代材料。为进一步提升各项性能指标，采用调质处理的方式，加热温度为850℃，回火温度550℃，冷却方式采用油冷。材料性能参数为：屈服强度800MPa，剪切强度950MPa，伸长率≥15%，收缩率≥50%，冲击韧性≥65J/cm²，硬度HB270。
　　3.3 安全销颈部直径的计算
　　安全销颈部是过载时安全销的断裂部位，颈部直径即为安全销的工作直径。安全联轴器上共有6个销孔，原始设计安全销的使用根数为3根，每隔1个销孔安装1根安全销，这一设计即能保证安全销传递扭矩的能力，又能Z大程度使每根安全销受力均匀。因此，按原设计使用3根安全销同时工作。由于中型生产线进行新产品开发，对额定断裂扭矩进行修订，确定其值为81340N•m。根据销钉式安全联轴器的销钉切槽处的直径计算公式，确定安全销颈部直径为（18.2±0.05）mm。
　　3.4 加工精度和加工工艺
　　影响安全销尺寸精度和表面质量的主要因素有加工精度、位置精度及孔径精度。
　　1）安全销套的加工精度指安全销套与联轴器销孔配合的外径尺寸精度和安全销套与安全销配合的内径尺寸精度。如果2个尺寸精度差、公差大，将会造成销套与销子和联轴器孔配合不好，出现安全销不同时受力的情况。因此，必须依据安全销套工作尺寸的公差大小确定安全销的尺寸公差。
　　2）6个联轴器销孔的位置精度（分度精度和定位精度）和孔径精度。两半联轴器的6个销孔的位置精度如果较差，将会使两半联轴器销孔定位后的同轴度发生偏移，造成其销孔的实际作用尺寸变小，影响其同时承受载荷的能力。由于1套联轴器上的销孔都是配钻配铰的，只有在安装安全销时注意保持联轴器的连接位置正确，才能避免由于精度差对安全销使用造成的不良影响。对安全销套实施选配法提高孔径精度。
　　3）材料的弹性变形量的大小和抗疲劳能力。安全销、安全销套、联轴器的材质确定后，其弹性模量为定值。安全销安装后由于尺寸精度造成的接触精度不一致会通过材料的弹性变形来消除。
　　4）加工精度的确定和加工工艺的安排。通过对以上的各相关因素的分析，对安全销相关参数进行了现场实际检测，考虑到安全销的加工经济性，制定安全销的加工工艺：锻造棒料—粗车—热处理—精磨。安全销的加工精度，表面粗糙度要求Ra6.3，配合直径的尺寸精度24（25）。同时为了消除安全销颈部的应力集中，加大了该部位的R值，取1mm。为防止在切断时安全销的断面不整齐，使两侧的半联轴器不能及时脱离连接，将安全销颈部的宽度尺寸确定为2mm。
　　4　应用效果
　　通过对安全销结构和性能的技术优化，提高了安全销的使用寿命和工作可靠性。根据1a的数据统计，优化后的安全销使用寿命比优化前提高1倍，平均使用寿命达到3个月。在使用过程中，通过定期更换等维护手段，因安全销断裂造成的设备停机事故减少了50%，保证了生产的稳定顺行。