国产上充泵电机联轴器的对比分析

李松霖 陈帅 李海泳

摘要：在上充泵泵组的检修过程中，A厂生产的上充泵电机联轴器拆卸困难，而B厂生产的上充泵电机联轴器拆卸较为容易。为探究其原因，本文通过理论计算和ANSYS仿真对比分析了两种联轴器的相关参数，发现A厂的联轴器相较B厂使用的联轴器设计裕量大，现场拆卸较为困难。

关键词：上充泵;联轴器;ANSYS

引言或概述

上充泵是核电厂重要的核安全设备，现国产上充泵的驱动电机均为佳木斯电机厂生产的卧式三相异步电机。该电机与齿轮箱连接的联轴器主要有A厂使用的WG9-100×120-110×210型联轴器和B厂使用的ZAPEX/ZIZS 2.0A型联轴器，以下简称WG型联轴器和ZA型联轴器。这两种类型的联轴器传递的功率相近，但WG型联轴器各项尺寸较ZA型联轴器尺寸有较大差异，现场检修过程中发现WG型进联轴器拆卸困难，ZA型联轴器拆卸相对容易。本文通过计算对比分析两种联轴器的相关参数。发现WG型联轴器设计裕量大，虽然该联轴器安全系数高，但现场拆卸困难，不便于现场检修。

1  国产上充泵电机联轴器介绍

国产上充泵电机联轴器主要有两个类型，分别为A厂使用的WG型和B厂使用的ZA型。這两种联轴器均为齿形联轴器，该类联轴器具有径向尺寸小，承载能力大，可补偿轴向，径向和角对中偏差。在石油，化工，能源行业具有广泛的应用。

2  联轴器几何尺寸和材料对比介绍

根据相关厂家的设计资料，WG型联轴器内孔与电机轴的过盈量最大为0.13mm，ZA型联轴器内孔与电机轴的过盈量最大为0.15mm。联轴器相关尺寸如图1所示（括号中尺寸为WG型联轴器的尺寸），联轴器相关尺寸对比如表1所示。

通过对比相关尺寸，发现两种联轴器的配合过盈量相当，而对比联轴器轮毂厚度和配合长度，WG型联轴器大约为ZA型联轴器的两倍。

根据厂家技术文件，WG型联轴器的材料为42CrMo，ZA型联轴器的材料为45#钢，材料相关力学性能见表2。通过对比，可以发现WG型联轴器的材料无论是抗拉强度还是屈服强度，均比ZA型大很多，说明WG型联轴器在设计选材时更加保守。

3  联轴器传递扭矩对比介绍

根据两种联轴器和电机轴的过盈量以及相关的材料参数，分别计算出相应联轴器传递的最大扭矩。根据弹性理论，过盈配合面的压力p[1]的计算如下：

①

其中为两个零件之间的径向过盈量;r为配合处的公称半径;为中空轴的内半径（实心轴时为0）;为包容件外半径;E和v分别为材料的弹性模量和泊松比。

根据上充泵电机联轴器的工作特性，该联轴器主要是传递扭矩。该联轴器传递的最大扭矩为最大静摩擦力矩T。

T=pfL                  ②

②式中，P为过盈配合面的压力，f为配合面摩擦系数[2]，根据d为配合直径，L为配合长度。

根据厂家技术文件，WG型联轴器和ZA型联轴器传递功率均为650Kw，根据联轴器传递功率由下③式可以得出联轴器实际传递扭矩。

③

在③式中，为联轴器实际传递扭矩，P为联轴器传递功率，n为电机轴转速。

根据①②③式可分别计算得出两类联轴器的过盈面接触压力，最大传递扭矩和实际传递扭矩，相关计算结果见表3。

根据表3的数据可以得出，两种联轴器的过盈面压力均小于一般钢轴与钢制轮毂间的许用挤压应力（100～150Mpa），两种联轴器的过盈量满足现场使用要求。通过对比两种联轴器的传递扭矩，发现虽然两种联轴器实际传递扭矩相同，但WG型联轴器的最大传递扭矩为ZA型联轴器的2.3倍，一般联轴器轴套轮毂与轴的安全摩擦力矩为最大传递扭矩的1.5～3倍[3]。通过表3可以看出，ZA型联轴器最大传递扭矩与实际转递扭矩之比为3.9，而WG型联轴器最大传递扭矩与实际转递扭矩之比为8.8，远大于标准要求中的1.5～3倍。说明WG型联轴器设计裕量远大于ZA型联轴器，虽说WG型联轴器的设计对于整个设备来说运行更加安全，但通过联轴器几何尺寸对比可以发现WG型联轴器的几何尺寸相较于ZA型大得多，给现场的设备空间布置和检修带来了额外的困扰。

4  联轴器拆卸工艺介绍

在现场检修过程中，联轴器的拆卸是一项很有挑战性的工作，根据经验，对于过盈联轴器，基本上有以下三种拆卸方案。

1）使用气割或者机加工的方法，直接破坏性拆除联轴器外齿套。

2）加热轮毂拆卸法，利用氧乙炔焰或者中频加热器对联轴器轮毂外表面进行加热，短时间内使联轴器轮毂受热膨胀（此时电机轴还未被加热膨胀）直到完全胀开，再对联轴器施加一定的轴向力将其拉出。

3）液压胀开拆卸法，此法是利用联轴器的加工孔在联轴器和轴的接合面注入高压油，直到压力达到接合面压强，此时液压油将联轴器和电机轴之间完全胀开并形成油膜，再利用千斤顶施加一定的轴向力，使联轴器与电机轴之间发生相对移动，直到联轴器完全脱出轴，完成整个拆卸过程。

通过对比3种拆卸方案，方案1需破坏联轴器，而且在机加工或者切割的过程中还有可能伤到轴，不满足现场施工要求;通过分析联轴器的结构信息，发现ZA型联轴器设计有高压油孔，可以利用方案3拆卸。WG型联轴器未设计相关油孔，需选择方案二进行拆卸，而中频加热器相较于氧气乙炔加热有加热速度快，受热均匀，温度易控制的优点，所以WG型联轴器更适合使用方案2中的中频加热器加热拆卸。

从表4可以看出，ZA型联轴器拆卸时需选用30T千斤顶，而WG型联轴器需需要选用70T的千斤顶。通过对比可以看出WG型联轴器拆卸更加困难。

5  联轴器配合有限元分析

通过有限元软件对表3、表4的理论计算值进行有限元的验证。使用ANSYS Workbench软件，分别模拟ZA型和WG型联轴器的传递扭矩和拆卸过程，分析两种联轴器传递扭矩，拆卸轴向力和配合面压力。

5.1  建立联轴器的有限元模型

以图 1几何尺寸为基础，在SpaceClaim中分别建立出联轴器和电机轴的几何模型，并分别建立相应材料赋给相应的模型，该有限元模型形状规则，设置网格尺寸为0.5mm，三维模型与网格。联轴器内壁与电机轴外壁相互接触形成接触对，设置接触为摩擦接触，摩擦系数为0.1，为了获得更好的收敛性利用罚函数定义接触关系。

5.2  边界条件和后处理

结合联轴器的实际工况，分为两个模拟分析，分别为传递扭矩分析和拉拔轴向力分析。联轴器传递扭矩分析边界条件为电机轴为无摩擦支撐，给联轴器施加一个角向位移，使用扭矩探测工具探测联轴器传递扭矩，使用接触工具读出联轴器过盈面的压力值。联轴器的拉拔轴向力分析边界条件为电机轴为无摩擦支撑，给联轴器施加一个轴向位移，最后读取约束反力即为联轴器的拉拔轴向力。同理也可使用接触工具探测出联轴器配合面的压力值。

6  结论

1）WG型联轴器和ZA型联轴器均满足核电现场的使用需求，通过分析两种联轴器过盈连接的相关参数，ZA型联轴器同时兼顾了现场使用需求和检修的便利，过盈结合面压力适中，传递扭矩满足现场需求，拉拔轴向力适中，在设计上还有便于拆卸的高压油槽，便于现场的检修活动。

2）WG型联轴器的材料参数明显高于ZA型联轴器，联轴器接合面压力，传递扭矩和拆卸轴向力均大于ZA型联轴器，现场使用安全裕量大。但由此也带来了一些不利于现场检修或者现场布置的困扰，例如联轴器质量偏大;联轴器拆卸拉拔力大;联轴器没有设计高压油槽，只能选择加热拆卸等。WG型联轴器现场使用裕量大，可以对其进行优化设计，例如减小联轴器配合长度，减小联轴器轮毂的厚度等，在满足现场使用要求的情况下为现场检修拆卸提供便利。

参考文献

[1]李佩鸿.超高压过盈连接组合圆筒的有限元分析.煤炭技术，2015，第34卷第03期：255.

[2]中国国家标准化管理委员会.极限与配合 过盈配合的计算与选用.GB/T 5371-2004：13

[3]史可忠.无键齿式联轴器的安全过盈量核算及装配控制.检测与控制，2011：134