牟旭東

(江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

懸臂型永磁同步耦合器是一種改進(jìn)型產(chǎn)品，其亮點在于主動永磁轉(zhuǎn)子與從動永磁轉(zhuǎn)子之間通過一對軸承連接，使兩者成為一個整體，永磁體完全被包裹在內(nèi)部，形成了一個具有封閉環(huán)境的防爆結(jié)構(gòu)。主動永磁轉(zhuǎn)子與從動永磁轉(zhuǎn)子之間依然為柔性(磁力)連接，軸承僅作為連接與承載元件，不傳遞力矩且無軸向力。由于該結(jié)構(gòu)的整體性，設(shè)備約85%的質(zhì)量都集中在本體中，本體安裝在主動軸上(電機(jī)軸)，既減輕了負(fù)載軸(減速機(jī)軸)上的負(fù)擔(dān)，又提高了整個傳動鏈的穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)還具備安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、過載自動打滑保護(hù)等優(yōu)點。懸臂型永磁同步耦合器為實用新型專利設(shè)備[1]。

1 懸臂型永磁同步耦合器結(jié)構(gòu)分析

懸臂型永磁同步耦合器由軸承、軸承端蓋、從動端連接接口、從動永磁轉(zhuǎn)子、從動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼、主動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼、主動永磁轉(zhuǎn)子共7部分組成，如圖1所示。一對軸承1對稱安裝在主動永磁轉(zhuǎn)子7左右兩端，同時承載從動永磁轉(zhuǎn)子4；一對軸承端蓋2將一對軸承1外露部分蓋住，可有效隔離灰塵；從動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼5安裝在從動永磁轉(zhuǎn)子4上，主動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼6安裝在主動永磁轉(zhuǎn)子7上，從動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼5與主動永磁轉(zhuǎn)子磁鋼6之間設(shè)置有氣隙，從動永磁轉(zhuǎn)子4通過從動端連接接口3與負(fù)載端連接；主動永磁轉(zhuǎn)子7直接套裝在主動端上，從而實現(xiàn)主動端與負(fù)載端之間的柔性(磁力)連接。

圖1 懸臂型永磁同步耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中有幾個主要設(shè)計要點：永磁轉(zhuǎn)子磁鋼優(yōu)化尺寸以及轉(zhuǎn)矩的確定；主動永磁轉(zhuǎn)子的最大孔徑的確定；軸承型號的確定；各個連接處螺栓直徑以及數(shù)量的確定。其中，永磁轉(zhuǎn)子磁鋼的確定可由Ansys仿真計算，且計算步驟已有相關(guān)論文表述，故下文僅針對后面幾個設(shè)計要點舉例說明。

假設(shè)永磁轉(zhuǎn)子磁鋼的轉(zhuǎn)矩為1 600 Nm，即懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩Tn=1 600 Nm。由聯(lián)軸器的選擇計算公式可得[2]

其中：Tc為實際最大轉(zhuǎn)矩，Nm；T為電機(jī)公稱轉(zhuǎn)矩，Nm；K為電機(jī)載荷系數(shù)，K=2.2；P為電機(jī)功率，kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

通過該公式可以反向推算出1 600 Nm轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的4極電機(jī)功率：

該功率數(shù)值為最大計算功率，需向下取值，最接近的一檔功率為110 kW，查出電機(jī)的型號為Y315S-4P，該電機(jī)的輸出軸尺寸為φ80×170 mm，鍵槽寬20 mm。

由此可得出圖1中主動永磁轉(zhuǎn)子7在計算轉(zhuǎn)矩1 600 Nm內(nèi)，其最大的設(shè)計孔徑為φ80 mm。

依據(jù)最大孔徑，推算出軸承的最小內(nèi)徑為φ100 mm。以尺寸大小、額定載荷、實際工作中可能出現(xiàn)的沖擊與振動等條件為基準(zhǔn)，查詢機(jī)械設(shè)計手冊，確定軸承型號為61920-2Z。

確定好軸承型號后，需要對軸承的使用壽命進(jìn)行校核，滾動軸承基本額定壽命公式如下：

表1 61920-2Z的基本尺寸與數(shù)據(jù)

由于該結(jié)構(gòu)在實際運(yùn)行中沒有軸向力，故當(dāng)量動載荷即為懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩，P=Tn=1 600 Nm，則

若設(shè)備24 h不停機(jī)，則理論使用年限為

證明該軸承滿足使用要求。

軸承在使用過程中，潤滑是必須考慮的因素。滾動軸承通常采用潤滑脂潤滑，其目的是避免元件表面金屬直接接觸，降低摩擦和減輕磨損，同時也有吸振、冷卻、密封等作用，提高性能、延長使用壽命[3]。

依據(jù)軸承溫度175 ℃，建議選用表2中鋰基潤滑脂ZL-2。軸承的實際工作溫度應(yīng)低于潤滑脂滴點10～20 ℃，其填充量一般應(yīng)以軸承和軸承殼體空間的1/3～1/2為宜。潤滑脂的不足或過多，都會導(dǎo)致軸承工作中溫升增大，磨損加快，故潤滑脂的填充量要適度[4]。

表2 鋰基潤滑脂的特性和用途

如圖1所示，軸類設(shè)備中零件的裝配一般采用法蘭連接，連接處螺栓的大小、數(shù)量、強(qiáng)度需要計算并校核。設(shè)計過程中，可以先擬定一組螺栓的大小與數(shù)量，而后校核其強(qiáng)度，根據(jù)實際需要以及成本要求，調(diào)整并優(yōu)化該數(shù)據(jù)。

假設(shè)圖1設(shè)備中有一零件，其安裝螺孔的中心圓D=200 mm，螺絲數(shù)量Z=8顆，材料為45鋼，等級為常用的8.8級。已知上文中，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩Tn=1 600 Nm，則螺栓直徑的計算公式如下：

作用在螺栓中心圓D上的圓周力為

螺栓的預(yù)緊力為

其中f為摩擦系數(shù)，取0.2。

螺栓直徑d的計算公式[5]為

又[σ]=(0.25～0.33)·σS，則

(9.7～11.14)。

其中σS為屈服強(qiáng)度，見表3。

表3 常用螺栓、螺釘、螺柱的屈服強(qiáng)度 單位：MPa

故選擇M12螺釘8顆，等級8.8級。

2 與梅花形彈性聯(lián)軸器配合使用

梅花形彈性聯(lián)軸器具有補(bǔ)償兩軸相對偏移、減震、緩沖的性能，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、不用潤滑、承載能力較高等優(yōu)點。缺點是更換彈性元件時需要軸向移動電機(jī)。適用于連接兩同軸線、起動頻繁、需要正反轉(zhuǎn)、中速、要求工作可靠性較高的場合。

如圖2所示，該配合使用的結(jié)構(gòu)由梅花形彈性聯(lián)軸器1、懸臂型永磁同步耦合器3通過螺栓連接與從動端連接接口2組合而成。其中梅花形彈性聯(lián)軸器1由梅花左半聯(lián)軸器、梅花右半聯(lián)軸器以及中間的梅花彈性件組成。梅花彈性墊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 與梅花形彈性聯(lián)軸器配合結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 梅花彈性墊結(jié)構(gòu)示意圖

選型時，依據(jù)懸臂型永磁同步耦合器的最大轉(zhuǎn)矩，確定梅花彈性墊的型號，再根據(jù)選擇的型號來設(shè)計梅花左、右半聯(lián)軸器。已知懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩Tn=1 600 Nm，則梅花彈性墊的實際公稱轉(zhuǎn)矩T=1.8·Tn=2 880 Nm。因市場中材料的品質(zhì)參差不齊，建議最小按1.8倍選擇，再根據(jù)表4中LM型聯(lián)軸器的參考公稱轉(zhuǎn)矩向上取值，故選擇型號MT9，其公稱轉(zhuǎn)矩為3 150 Nm。

表4 梅花彈性墊數(shù)據(jù)參數(shù)

表4中，LM型聯(lián)軸器的參考轉(zhuǎn)矩，其前提條件為梅花彈性墊的硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值94±2(Shore A)[6]。

3 與彈性套柱銷聯(lián)軸器配合使用

彈性套柱銷聯(lián)軸器具有一定補(bǔ)償兩軸相對偏移的能力，較低的減震、緩沖性能，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造；不需要潤滑，維修方便，徑向尺寸較大。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減震要求不高的軸系傳動場合，不適用于高速、低速重載場合[7]。

如圖4所示，該配合使用的結(jié)構(gòu)由軸套1、彈性套柱銷2、懸臂型永磁同步耦合器3組成，其中彈性套柱銷2安裝的位置為原從動端連接接口處。

圖4 與彈性套柱銷聯(lián)軸器配合結(jié)構(gòu)示意圖

彈性套柱銷的規(guī)格決定該結(jié)構(gòu)的使用性能。依上文數(shù)據(jù)，假設(shè)彈性套柱銷安裝孔的中心圓D=200 mm，數(shù)量Z=8顆，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩Tn=1 600 Nm，則彈性套柱銷直徑的計算公式如下[8]：

其中fb為安全系數(shù)，取0.5。

則選擇的彈性套柱銷最小規(guī)格為直徑6 mm，8顆。此時，若依照該數(shù)據(jù)設(shè)計，則總體結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)外徑大、彈性套柱銷小的現(xiàn)象。解決方案為減少彈性套柱銷的數(shù)量，如4顆，則其最小直徑為11 mm，或者直接加大直徑，達(dá)到外觀比例協(xié)調(diào)即可。彈性套柱銷的長度比例建議為1∶1，即彈性套柱銷左端緊固的總長(包括伸出部分)與右端彈性套的長度一致，或略大，故只需計算軸套1彈性套柱銷安裝位置處壁厚的強(qiáng)度即可。

彈性套的材料建議選用尼龍1010，該材料表面硬度大、質(zhì)量輕、耐腐蝕，具有較高的抗張性、抗彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和較高的延性，是目前國內(nèi)用量最大的聚酰胺工程塑料。

4 與彈性柱銷聯(lián)軸器配合使用

彈性柱銷聯(lián)軸器具有微量補(bǔ)償性能，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，更換彈性柱銷方便，適用于有少量軸向竄動、起動較頻繁、有正反轉(zhuǎn)的軸系傳動場合，不適用于高速重載、有強(qiáng)烈沖擊震動、工作可靠性要求較高的場合[9]。

與彈性柱銷聯(lián)軸器配合結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中彈性柱銷2安裝的位置為原從動端連接接口處，軸套1上需安裝可拆卸的彈性柱銷蓋板?？傮w結(jié)構(gòu)與彈性套柱銷聯(lián)軸器配合使用的結(jié)構(gòu)相同。

1—軸套；2—彈性柱銷；3—懸臂型永磁同步耦合器。圖5 與彈性柱銷聯(lián)軸器配合結(jié)構(gòu)示意圖

同樣，彈性柱銷的規(guī)格決定該結(jié)構(gòu)的使用性能，其材料也建議選用尼龍1010。彈性柱銷直徑的計算公式同上文彈性套柱銷，不同的是fb安全系數(shù)為0.1。依上文數(shù)據(jù)，假設(shè)彈性套柱銷安裝孔的中心圓D=200 mm，數(shù)量Z=8顆，懸臂型永磁同步耦合器的計算轉(zhuǎn)矩Tn=1 600 Nm，通過計算公式可得出彈性柱銷的最小規(guī)格為直徑26 mm。

5 結(jié)語

綜上所述，懸臂型永磁同步耦合器結(jié)構(gòu)簡單、易分析、易設(shè)計、易加工，有很高的適用性，除文中的3種配合使用結(jié)構(gòu)外，還適合其他多種結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中，有些情況下適當(dāng)?shù)胤糯笕≈担芨玫乇Ｗo(hù)設(shè)備，同時也能增加美觀性，且所提高的成本微乎其微。除文中介紹的懸臂型永磁同步耦合器外，同類型的軸類設(shè)備在設(shè)計過程中，如有相同的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計理念與計算方式均可依據(jù)文中所述。