GEAREX系列齿式锥套联轴器拆卸和安装方法

栗国浩

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300452）＊

联轴器可分为机械式联轴器、液力联轴器、电磁式联轴器等。因为标准化以及拆装简单，键连接被广泛应用于联轴器与轴的连接。但是，键传递的扭矩有限，且键槽影响了被联接轴的强度［1］。在石油钻井行业，由于高速和重载的要求，选用齿式锥套联轴器。本文介绍了该联轴器的结构特点、安装拆卸步骤、轴的对中方法，可指导现场人员维修该类联轴器。

1 基本结构

齿式锥套联轴器为机械式联轴器中的刚性可移式联轴器，由锥形套、平键套和法兰盘3部分组成，如图1所示。锥形套和平键套分别安装在需要联接的轴端，2个法兰盘的内齿环分别与锥形套和平键套的外齿环相啮合，由螺栓联成一体。齿式锥套联轴器内外齿环的齿数、模数相同，渐开线齿廓压力角为20°。对于所联接的2个轴，因制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，存在同轴度误差。为了使联轴器适应该误差，齿式类联轴器都将外齿环的齿设计成鼓形齿，齿顶设计为中心线在轴线上的球面，齿顶和齿侧留有较大的间隙。此外，当两轴有位移时，联轴器齿面间会因相对滑动而磨损。为减少磨损，联轴器的齿环间注有润滑剂。为防止润滑剂外泄，法兰盘上设计有密封圈槽。

齿式锥套联轴器的特点：

1）联轴器同时啮合的齿数多，承载能力大，外廓尺寸紧凑，可靠性高，传递扭矩大，但因成本较高，通常用于高速重载的重型机械中。

2）电机端轴取消了键槽，采用锥形轴，能有效保证轴的强度，简化轴的加工工艺，提高轴与套的对中性。

3）锥形套与电机锥形轴间保证有70%～80%的接触面积，因此加工精度要求较高，一般Ra＝1.6μm。

4）由于联接锥形轴面的特殊性，需要有特殊的安装与拆卸工艺。

图1 齿式锥套联轴器结构示意

2 相关技术参数

蓬莱海洋油田某石油钻井绞车［2］，采用变频调速异步电机，其额定功率为800kW，额定电压为600V，额定转速为740r／min，输出端为1∶9.6锥度的锥形轴，锥形轴上设计有油槽，油槽上有1个与轴端中心孔相通的油孔。联轴器拆卸时向轴端中心孔注入高压油来辅助完成拆卸工作，如图2。减速箱的输入端为键联接轴，如图3。

图2 电机锥形轴

图3 减速箱键联接轴

3 齿式锥套联轴器的安装［3－6］

电机输出端的锥形轴与锥形套采用过盈配合来传递扭矩，则两者的装配成为联轴器安装的关键之一。常用的装配方法有静力压入法、动力压入法、温差装配法和液压装配法等。现场实际工作中一般采用温差装配法。

温差装配法就是利用联轴器受热膨胀或轴端受冷收缩，而使联轴器孔内径略大于轴直径而实现装配的方法。该方法既省力，又不会擦伤配合面而降低连接强度。温差装配法步骤：

1）将联轴器锥套与电机输出端轴在常温下装合，用橡胶或木锤敲击锥套，在轴上作标记，如a。

2）以标记a为基准，做标记b，保证标记a 与b 间的距离（称为锥套爬行距离）为3.00～3.31 mm，将限位螺栓固定在电机端盖上的螺栓孔中，限位螺栓的端部与b标记处位于同一平面内。

3）取下锥形套，将锥形套由里向外均匀加热至215～250℃，迅速将其推入电机轴上，瞬间达到标记b处，并立即用挡板在锥形套外端压紧，自然冷却（安装时先将法兰盘装于轴上）。

4）待锥形套冷却至常温，测量电机端盖上的限位螺栓端部与锥形套内端的间隙（称此为锥形套的回缩距离），此过程要确保爬行距离＞2.85 mm，否则重新安装。

5）对于减速箱端联轴器的安装，亦需确定安装位置。拆卸前已测得电机端盖与减速箱端盖间距离L，锥套内端与电机端盖距离S1也可测得，联轴器总长l，则平键套内端与减速箱端盖距离S2＝LS1－l，即可标记安装位置c，进而定位。

6）减速箱轴端联轴器采用键联接，则采用常规步骤安装，将平键套由里向外均匀加热至120℃，迅速将其推入轴上c标记处，须一次安装到位。

7）待冷却后，初装电机，用千分表、塞尺及钢板尺等工具测量联轴器的轴向误差，径向误差及角度误差，使联轴器对中找正。

8）齿啮合间隙内注入适量润滑脂，螺栓联接两法兰盘，用扭矩扳手对角逐步拧紧，使每个螺栓锁紧力基本一致，至此安装完成。

9）试车，联轴器应运转平稳，无噪声。

3.1 安装过程中须注意的问题

1）安装前须检查各配合面是否有磨损，干净无油污，并检测最小尺寸及公差，保证配合准确无误。

2）确保两锥形面间有70%～80%的接触面积（一般可采用涂色法）。对于轻微不一致的，可以用研磨砂纸（250目或更高的砂纸研磨），锥套孔及轴绝不能用砂轮打磨。

3）检查键和键槽有无损伤，可用锉刀或砂纸打磨，键两侧与键槽应紧密贴合（可用涂色法检查），装配后确保键顶部至少有0.4 mm 间隙（JIS B 1301—1996）。

4）安装时要保证两法兰盘上的油孔成90°。

5）测量联轴器安装后的轴向、径向及角度误差，要使联轴器对中找正（详见联轴器对中部分）。

6）联轴器在运转过程中，严格按照手册进行维护保养，保证齿轮箱内有足够润滑油，定期检查啮合齿面的磨损情况，防止因齿磨损而发生严重事故。

3.2 齿式锥套联轴器的安装误差［7－8］

联轴器的对中是安装过程中十分重要的环节，对中质量直接影响联轴器的使用寿命及设备效能的发挥。对中工作主要是为了使机组各轴心线达到同轴的要求，减小轴向、径向及角度上的误差。轴向误差即顺着轴产生的误差，径向误差即两轴平行但不在同一直线上，在直径方向产生的误差，而角度误差即两轴中心线互成一角度所产生的误差。齿式锥套联轴器3种误差如图4。

图4 齿式联轴器轴的安装误差示意

齿式锥套联轴器因其特殊的齿式结构，允许的轴向误差、径向误差以及角度误差较大。本文所研究的蓬莱油田某石油钻井绞车采用型号为GEAREX 40的齿式锥套联轴器。该型联轴器在轴向、径向和角度方向所允许的最大误差量可从表1中查得，轴向误差最大允许值▽Ka＝1.5mm，径向误差最大允许值▽Kr＝0.25mm，角度误差最大允许值▽Kw＝0.5°。

表1所列最大误差允许值是指该型联轴器只有一种误差存在的情况下，当2种或3种误差同时存在时，允许的最大误差值则相应减小。复合误差的关系如图5。

表1 GEAREX系列齿式联轴器误差参照数据［9］

续表1

图5 复合误差关系

图5中当径向误差（或角度误差）以最大允许误差百分比递减时，则角度误差（或径向误差）相应以最大允许误差的百分比减小［9］。例如，当实际径向误差为最大允许误差的60%时，则实际角度误差应小于最大允许角度误差的40%。

轴向、径向和角度误差一般在联轴器初装完成后都会存在，常采用下面几种方法对中找正。

1）直尺塞尺测量对中法，即利用直尺和塞尺相结合测量联轴器外圆各方位上的径向误差，用塞尺测量两半联轴器端面间的轴向误差，通过分析和调整，达到两轴对中。此方法操作简单，但精度不高，对中误差较大。只适用于机器转速较低，对中要求不高的联轴器的安装测量。

2）千分表测量对中法，即利用专用夹具或磁力表座装在基准半联轴器上（一般装在电机轴端的半联轴器上），用千分表测量联轴器的径向间隙和轴向间隙的误差值。此方法对联轴器找正有较高的测量精度，但操作计算比较复杂，常用的千分表测量方法有双表法、三表法、五表法及单表法4种。

3）激光对中仪对中法，即采用激光对中仪器对中找正，因激光极佳的方向性及单一性优点，此方法精度高、效率高且易于操作。

在实际工作中，因设备条件及作业要求的限制，常使用直尺塞尺测量法和千分表测量法相结合的方法，先利用直尺和塞尺初步完成对中安装，保证轴向误差，再利用千分表和塞尺校正调节径向误差及角度误差，最终完成联轴器的对中工作。

4 齿式锥套联轴器的拆卸

齿式锥套联轴器的拆卸是与安装完全相反的过程。拆卸一般是由于设备的故障或联轴器自身维修的需要，需把联轴器拆卸成零部件。

传统的拆卸方法需要专用的手动／电动高压油泵来辅助完成，将高压油从电机轴端的油孔进入轴上的环形油槽内，在油压的作用下，逐步实现联轴器锥套与锥形轴的脱离［10］，达到最终拆卸。此方法的系统油压高（280 MPa），但有时即使这样也不能拆下，需采用加热与拉拔工具相结合，或用热工切割破坏联轴器，如图6。

图6 切割破坏的联轴器锥套

基于齿式锥套联轴器拆卸工作的难度，结合现场经验，本文就其拆卸步骤进行简单介绍。

1）对联轴器各零部件之间互相配合的位置标记及必要的尺寸测量，以便复装时参考。

2）拆下联轴器的法兰联接螺栓，将电机与减速箱分离，留出足够空间拆卸联轴器。

3）将电机端联轴器的挡板螺栓稍微松开并保留在轴上，以防联轴器弹出伤人；安装如图7所示专用拉拔器，联接高压油泵管线并加压预紧。

图7 专用拉拔器

4）均匀加热联轴器至120℃左右，手动加压直至联轴器脱落。注意要远离联轴器，以防弹出伤人。

5）拆卸减速箱端联轴器与电机端的拆卸类似；但采用此方法则需要用到大吨位的拉拔装置，且对系统压力要求较高，操作不慎就有可能发生事故。

根据液体相对不可压缩性原理，就上述问题专门设计了一种螺纹堵头拆卸器，在电机轴端孔中注入有一定黏度的液体，用此工具直接加压来完成拆卸。拆卸器如图8所示。

图8 拆卸器

此外，根据流体的体积弹性模量与压力和流体体积间的关系，可得出此拆卸器对于联轴器能产生的最大压力［11］。

式中：E为流体的体积弹性模量；β为流体的压缩系数；V为流体的密度；dV为流体的原有体积；dV为流体体积的变化量；dp为流体压力的变化量。

但是，此拆卸器对加工精度及密封圈有较高的的要求。依照相关标准（JISB 2406－1991或ISO 3601－2），若密封圈的硬度采用邵氏硬度90A，拆卸器密封圈密封的最大间隙应小于0.085 mm，则需根据电机轴端油道的精度来确定拆卸器的加工精度。

拆卸器的使用省去了高压油泵及附属管线，且无须再使用专用拉拔器，操作简单方便。

5 结论

1）按照本文论述的方法、步骤及参考数据，蓬莱油田已经更换了5套GEAREX 联轴器，更换的效率及质量都非常满意，节约了钻井时间，经济效益明显。

2）针对海洋模块钻井现场的特殊性，设计了锥套联轴器的专用工具，拆装工序简单，极大地节省了劳动力，减少了很多潜在的安全风险。

3）此类联轴器安装时采用热装法，过盈量比较大，如果在使用过程中不注意保养，拆卸就很困难。在加工专用工具时要充分考虑其强度及安全系数，拆卸过程中要结合现场实际情况，采用敲击、加热、喷洒松动剂等组合方法进行拆卸。

4）类似于GEAREX的联轴器应用非常广泛，尤其是油田重型传动设备，该拆装方法能够为其他类似联轴器的拆装提供借鉴。

［1］余茂芃.键槽轴段与紧配合轴段疲劳强度计算的应力集中问题［J］.浙江大学学报，1988，22（1）：136－140.

［2］四川宏华石油设备有限公司.ZJ40DBS减速机使用维护手册［K］.2008.

［3］彭常户，杨金祥.一种锥套式联轴器的应用［J］.机械工程师，1999（5）：10－11.

［4］崔丽娟.新型锥套在机械联接中的应用［J］.机械制造，2005，43（487）：47－48.

［5］杨魁杉.锥套在联轴器中的应用［J］.砖瓦世界，2010（12）：27.

［6］杨科，李艳芳.发电机无键连接部件温差法装配技术探究［J］.科技情报开发与经济，2011，12（21）：213－214.

［7］黄丽红.联轴器的对中调整方法［J］.专用汽车，2008（6）：58－59.

［8］李继浩.联轴器对中找正方法简介［J］.燕山油化，1988（2）：113－117.

［9］GEAREX Operating and assembly Instructions Edition 3［K］.2009.

［10］袁李峰.TJ70DB电动通井机的研制与应用［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：91－93.

［11］韩宇，栗国浩.海洋模块钻机移动步行器优化设计［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：84－86.