钢球脱开式限矩离合器

种建明

(西安帆力机电技术有限公司，陕西 西安 710048)

0 前言

在机械传动系统中，为了保护机械设备在设备卡阻、负荷超限等工况下不受到损坏，在系统中采用过载保护部件，在过载时通过分离、打滑等使传动系统中断起到过载保护作用。

常用的过载保护部件有剪切销式离合器、摩擦片式离合器、液力耦合器等。对机械设备有效保护的关键是过载保护部件要有可靠的保护特性，首先要准，即过载脱开打滑动作的转矩值要准;其次要快，即过载时对传动系统的中断要快。否则会出现设备正常运行时过载保护部件脱开打滑、或设备已过载损坏但过载保护部件还未动作、或动作时间过长没对机械设备起到有效保护。常用的过载保护部件均有各自的缺陷。因此，研发具有准确而快速特性的过载保护部件将对机械设备起到有效保护作用。

1 钢球脱开式限矩离合器工作原理

离合器的结构如图1所示。在轴套4的圆周上分布有若干个限矩部件2，在套筒6的圆周上同样有若干个锥套5，在每个锥套的锥面与限矩部件中的销轴10之间均啮合有传力钢球3。

钢球脱开式限矩离合器是当离合器过载时，传力钢球受到的轴向力大于限矩部件中的弹簧机构产生的预设轴向力使传力钢球脱离啮合，实现过载保护。正常载荷下，传力钢球不脱开，类似于刚性联轴器，也没有功率损耗。

限矩部件中的预压缩弹簧使小钢球定位于销轴的斜面处，给传力钢球提供预设轴向力，传力钢球与锥套的锥面啮合形成预设转矩，当转矩大于预设转矩时，转矩在传力钢球上产生的轴向反力大于预设轴向力，传力钢球与锥套上锥面开始脱离啮合，推销轴左移，当小钢球被推到销轴最大外圆面上，传力钢球的预设轴向力为0，传力钢球从锥套的锥孔中脱离出来，轴套与套筒自由旋转，离合器主、从动端脱开，如图2所示。

图1 正常工作时离合器结构示意图

图2 过载脱开时离合器结构示意图

1.1 力学分析

如图3所示为传力钢球受力示意图，将传力钢球分离出来。限矩部件中的销轴由预压缩弹簧产生的作用给传力钢球的预设轴向力为FA；离合器所传递的转矩T通过锥套斜面作用在传力钢球的正压力为Fn；Fn可分解为两个分力：周向力Ft：Ft∝转矩T；轴向力Fa：Fa∝Ft，因此，Fa∝转矩T。当Fa

图3 传力钢球受力分析图

图4 传力钢球脱开示意图

传力钢球的受力与传力钢球与锥套啮合的几何角度尺寸及弹簧的压缩量有关，其中，FA是一个确定值，可通过计算与测量实验标定出。Fa与转矩T呈线性关系，因此，离合器的脱开转矩为确定值。由于离合器脱开为完全脱开，无磨损，其几何角度尺寸无变化，因此其脱开值的重复性好。

1.2 限矩离合器脱开时间

过载脱开迅速，对系统有可靠的保护作用。本文设定限矩部件所在中心圆直径d=300 mm,离合器转速n=1 000 r/min,传力钢球直径D=16 mm。计算离合器脱开时间。如图3所示，过载时，传力钢球从锥套的锥孔中脱离出来，其在圆周方向的移动距离L=0.5D=8 mm。

限矩部件所在中心圆的线速度

v=πdn/60=15 700 mm/s

传力钢球从锥套的锥孔中脱离时间(离合器脱开时间)

t=L/v=8/15 700=0.000 05 s

2 离合器的特点

(1)出厂前可设定好脱开转矩值。离合器的脱开转矩与每个限矩部件传力钢球预设的轴向力的总和及限矩部件所在中心圆的半径成线性关系。每个限矩部件传力钢球预设的轴向力是可在加力测量装置上通过调整限矩部件中的预压缩弹簧的压缩量计算与实验设定的。因此离合器的脱开转矩值在出厂前可通过实验装置设定好。

(2)离合器恢复工作简单快捷。离合器脱开后，停机并排除故障，仅需手动将离合器主动侧转个角度，对齐外圆标记线，即将锥套和与其啮合的传力钢球对准，用工具敲击销轴左端面，销轴右移，传力钢球与锥套啮合，小钢球回到斜面，预设轴向力恢复，离合器恢复正常工作状态。

(3)脱开转矩值调整方便，脱开完全无磨损,脱开转矩值保持不变。脱开转矩值在使用中如需调整，停机时，按限矩部件上的转矩刻度线用扳手拧限矩部件左端方柄可无级调整。离合器的脱开为完全脱开，脱开后无摩擦磨损发热现象，恢复工作后，离合器的脱开转矩值保持不变。

3 结束语

离合器应用在某水泥厂辊压机，设定脱开转矩为9 kN·m,在使用的几年中，在多次料夹金属杂料，一次辊压机机架开裂及一次辊子轴承损坏情况下，均保护了减速机等未受到损坏。减速机寿命得到延长。离合器应用在某高分子材料公司的双螺杆挤出机，设定脱开转矩为3 kN·m,在异常工况下保护了昂贵的螺杆。某发电厂给煤机由于煤中会夹杂金属等异物，导致链条卡阻拉断等故障，维修时间多达数小时，严重影响锅炉出力。安装离合器后，由于离合器脱开动作很快，链条有异物卡阻时，离合器瞬间脱开，再未发生链条拉断现象。