張 楠

（唐山曹妃甸煤炭港務有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

唐山曹妃甸煤炭港務有限公司設計有5 個專業(yè)化煤炭裝船外運泊位，包括5 萬DWT 泊位1 個、7 萬DWT 泊位2 個、10萬DWT 泊位2 個。碼頭設計年運量為5000 萬噸。

目前港區(qū)布置有4 臺德國蒂森-克虜伯品牌的移動非回轉(zhuǎn)式裝船機，包括有走行、尾車、伸縮、俯仰、懸臂、溜筒等機構(gòu)，俯仰工作角度為-12°～+15°，懸臂皮帶帶寬2200 mm，其額定運輸能力為6000 t/h，輸送煤能力優(yōu)越。

裝船機懸臂機構(gòu)上布置有雙驅(qū)動裝置，包括電機、減速機、聯(lián)軸器、制動器。其中聯(lián)軸器為進口品牌，價格昂貴，供貨周期長達半年，且內(nèi)部配件無法單獨購買。為了減少備件費用支出，充分響應“降本增效”的號召，縮短備件采購周期，確保現(xiàn)場備件充足，對聯(lián)軸器進行國產(chǎn)化設計制造[1-3]。

在聯(lián)軸器設計及制造過程中，以國標為設計依據(jù)，充分考慮其配件的互換性，為以后備品備件的改進提供了依據(jù)。采用有限元分析軟件對設計的聯(lián)軸器進行應力校核[4-5]，表明新型聯(lián)軸器可以滿足實際使用要求。國產(chǎn)制造的聯(lián)軸器大大降低了成本，并在實際中取得了應用。

1 懸臂聯(lián)軸器國產(chǎn)化設計

1.1 現(xiàn)用進口懸臂聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

唐山曹妃甸港務有限公司現(xiàn)用SL1、SL2 裝船機原裝聯(lián)軸器類型為彈性梅花聯(lián)軸器，梅花軟連接“花瓣”采用橢圓形，其許用轉(zhuǎn)速為1850 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為7200 N·m，半聯(lián)軸器及梅花軟連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 梅花軟連接結(jié)構(gòu)

1.2 懸臂聯(lián)軸器國產(chǎn)化設計

國產(chǎn)梅花軟連接的“花瓣”為圓形（圖2），與現(xiàn)場使用的軟連接橢圓形“花瓣”不一致，無法通過直接選型的方式進行國產(chǎn)化替代。通過查閱資料，國標聯(lián)軸器整體尺寸也與現(xiàn)場實際不符，需要對聯(lián)軸器進行非標設計。

圖2 國產(chǎn)彈性梅花聯(lián)軸器軟連接結(jié)構(gòu)

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計算公式為：

其中，T 為理論轉(zhuǎn)矩；Pw為驅(qū)動功率；n 為工作轉(zhuǎn)速；Kw為動力機系數(shù)；K 為工況系數(shù)；Kz為啟動系數(shù)；Kt為溫度系數(shù)；Tn為公稱轉(zhuǎn)矩。

懸臂驅(qū)動電機銘牌標注，Pw=200 kW，n=1486 r/min。對于電機，動力機系數(shù)Kw=1.0。查表可知工況系數(shù)K=1.5，啟動系數(shù)Kz與啟動頻率f 有關，裝船機懸臂啟動頻率f＜120 次/h 時，Kz=1.0。環(huán)境溫度在-20～30 ℃時，溫度系數(shù)Kt=1。將上述參數(shù)代入公式（1）中計算可得：Te=1928 N·m。因此，設計的聯(lián)軸器額定轉(zhuǎn)矩要大于1928 N·m，方可滿足實際需求。

懸臂電機軸直徑為80 mm，懸臂減速機軸直徑為70 mm，由國標GB/T 5272—2002《梅花形彈性聯(lián)軸器》，查找大致符合要求的聯(lián)軸器型號，發(fā)現(xiàn)LMZ9-I-400 型基本符合要求[6]。據(jù)此對半聯(lián)軸器端面進行尺寸設計，安裝尺寸參考現(xiàn)有進口聯(lián)軸器，確保滿足現(xiàn)場安裝尺寸需求。

設計國產(chǎn)聯(lián)軸器，并采用Solidworks 軟件繪制的三維爆炸圖（圖3、圖4）。

圖3 國產(chǎn)聯(lián)軸器裝配圖

圖4 國產(chǎn)彈性梅花聯(lián)軸器爆炸圖

2 有限元分析及應力校核

采用Solidworks 軟件中的Simulation 模塊對設計的國產(chǎn)聯(lián)軸器進行仿真分析（圖5a））。對半聯(lián)軸器進行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為44 718，節(jié)點總數(shù)為70 366（圖5b））。半聯(lián)軸器承受電機軸作用在鍵槽和套筒處的扭矩以及梅花軟連接對金屬爪的反作用扭矩。由于原進口聯(lián)軸器的許用扭矩為7200 N·m，遠大于計算值1928 N·m，所以對標進口聯(lián)軸器載荷數(shù)值，施加7200 N·m扭矩進行應力校核（圖5c））。對套筒圓柱面施加扭矩，在梅花軟連接處對聯(lián)軸器金屬爪反作用面施加約束（圖5d））。

圖5 半聯(lián)軸器三維仿真模型

設計的聯(lián)軸器材料選用45#鋼，將材料屬性輸入到有限元分析模型中（表1）。

表1 45#鋼材料屬性

經(jīng)仿真計算，得到半聯(lián)軸器的等效應力云圖（圖6）。其中，最大應力位于金屬爪根位置，最大應力值為231 MPa，遠小于所用材料的屈服強度335 MPa。因此設計的新型國產(chǎn)聯(lián)軸器符合實際使用要求。

圖6 半聯(lián)軸器等效應力云圖

3 國產(chǎn)聯(lián)軸器制造及應用

根據(jù)上述設計制造國產(chǎn)化聯(lián)軸器，并進行現(xiàn)場試裝。該聯(lián)軸器安裝尺寸匹配，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能夠替代原有進口聯(lián)軸器（圖7）。

圖7 國產(chǎn)聯(lián)軸器

國產(chǎn)化后的聯(lián)軸器制造費用僅為1600 元，而原進口聯(lián)軸器采購費用高達18 996 元，國產(chǎn)制造成本僅為進口聯(lián)軸器的8.4%，大大降低了備件成本。該聯(lián)軸器易損件梅花軟連接采用國標規(guī)格，采買方便，極大縮短了供貨周期，并實現(xiàn)與現(xiàn)場其他聯(lián)軸器的軟連接互換，減少備件種類，簡化設備管理。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)國標和現(xiàn)場實際需求，設計一種新型非標梅花聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器尺寸參數(shù)能夠滿足裝船機懸臂驅(qū)動安裝配合需求。利用Solidworks 軟件進行三維建模，并通過Simulation 模塊進行有限元分析，仿真結(jié)果證明設計滿足強度要求，驗證了設計的可靠性。對設計的聯(lián)軸器進行加工制造，并投入實際應用。國產(chǎn)聯(lián)軸器成本僅為原進口備件的8.4%，有效降低了備件費用。并采用國標軟連接，供貨周期短，通用性強。