ZB45包装机组烟支第二推进器传动箱部位联轴器优化设计

ZB45包装机组烟支第二推进器传动箱部位联轴器优化设计

翟作巍,刘滢,付文飞

贵州省黔南布依族苗族自治州贵定县贵定卷烟厂 551300

摘要：在ZB45包装设备中，烟支第二推进器传动箱部位联轴器是作为将ZB45小包包装设备主传动传递至烟支第二推进器、烟支带轮模盒输送带以及驱动手轮的关键连接装置。由于其中间连接套内含橡胶材质的弹性套，为保证联轴器的同轴度，需定期更换，但因连接销锈蚀导致整体拆卸困难。本文通过对原联轴器结构进行分析，重新优化设计法兰盘连接部位，并针对优化后的联轴器进行了受力分析，确保其可靠性，在保障联轴器稳定性的同时，提升了设备维修效率。

关键词：ZB45包装设备、联轴器、法兰盘、受力分析

引言：ZB45包装机组是目前国内卷烟生产企业的主力包装设备，该设备主要由YB45/YB55/YB65/YB95等几个部位组成，其中YB45为硬盒小包包装设备，是ZB45包装机组的主要组成部分。在设备运行过程中，烟支第二推进器传动箱部位联轴器是作为将YB45小包包装设备主传动传递至烟支第二推进器、烟支带轮模盒输送带以及驱动手轮的关键连接装置。由于其中间连接套内含橡胶材质的弹性套，为保证联轴器的同轴度，需定期更换，但因该联轴器长期暴露在富含烟沫及油污的环境中，烟沫油污等异物易进入中间连接套与连接螺栓发生卡死现象，导致整体拆卸困难。本文针对该联轴器进行了优化设计，在保障联轴器稳定性的同时，提升了设备维修效率。

1、问题分析

1.1联轴器结构组成

烟支第二推进器传动箱部位联轴器主要由两个对称的连接法兰、一个中间弹性连轴套组成，法兰盘与连轴套之间主要依靠连接销及螺母进行连接固定，其中连接销与法兰盘及连轴套之间为间隙配合，具体组成如下图所示。

1.2联轴器拆卸步骤及存在的问题

因该联轴器中间的弹性连轴套内含橡胶材质，长期暴露在富含烟沫及油污的环境中且长期承受一定的机械应力存在老化现象，为保证联轴器的同轴度，需定期更换。因连接销与法兰盘及连轴套之间为间隙配合，且使用环境中存在大量烟沫及油污，长时间暴露使用后，粉尘及油污会累积在连接销与法兰盘和连轴套的空隙内，造成连接销与法兰盘和连轴套间锈蚀卡死，造成拆卸困难，耗时耗力。

经统计，全新的联轴器与使用2年后联轴器拆卸时间存在明显差异，具体下表所示：

1.3 连接销拆卸困难原因分析

   由统计数据可知，当该联轴器使用一定时间后，因连接销锈蚀，无法直接脱出，整体拆卸困难，耗时较长。通过对联轴器安装位置及其结构分析发现，导致拆卸困难的主要原因有以下3点：

（1）连接销与法兰盘及连轴套间为间隙配合，易造成油污累积，连接销锈蚀。

（2）连接销顶部为平面结构，端部螺纹仅为与螺母进行配合固定，并不参与法兰盘的连接固定，导致一旦连接销与法兰盘或连轴套卡死后，只能借助外力进行拆卸。

（3）联轴器部位安装空间有限，且角度并不适合敲击类工具进行操作，只能使用自行设计的顶丝工装进行拆卸。

2、改进措施

   结合该部位的运行特点，需保留中间弹性连轴套部位，保障其调心减震的功能，仅针对连接销易锈蚀难以拆卸的特点进行改进设计。通过观察连接销锈蚀情况，其主要发生锈蚀的部位为与法兰盘配合部位。

   根据锈蚀部位结合其刚性连接需求，针对该联轴器法兰连接部位进行优化设计。

2.1法兰盘结构优化设计

   原法兰盘有6个连接孔，其中3个沉头工位，拆卸过程中，沉头部位无法进行观察操作，故仅保留连接部位，将沉头部位进行优化，同时将连接销更改为内六角螺栓，其与优化后的法兰连接部位由原来的间隙配合改为螺纹配合，优化设计前后对比的结构下左图所示，具体设计尺寸如下右图所示。

优化后的组成图示如下图所示。

2.2优化设计可行性分析

   因法兰盘的外形尺寸及连接销的连接方式发生了变化，需对法兰盘及连接销受力情况进行理论分析测算，以保证法兰盘及连接螺栓能承受设备运行时所产生的应力[2]。

（1）连接螺栓应力测算

材料选用：优化后螺栓，尺寸为M10x58，因ZB45在运行过程中有大量启停现象，即设备运转过程中有一个加速的过程，导致承受载荷存在一定变动，因此根据螺栓材料选用原则，结合使用情况，此次设计螺栓采用40Cr材料，以其许用剪切应力为[τ]=234MPa，许用挤压应力为[δ]=558MPa。

实际工况：ZB45小包机主电机额定扭矩为45N·m，主电机到此联轴器需经过两级减速装置，其减速比为，因此其扭矩增加为T=232.065N·m，工作过程中运转平稳，可以基本忽略冲击和振动[3]。

单个螺栓剪切应力计算：单个螺栓分别与法兰盘及连轴套接触，分别承受两个部分产生的剪切力。联轴器正常工作时，每个螺栓受剪切应力的计算公式如下[4]：

…………………………………………（1）

其中F为剪切力，其公式为：

…………………………………………（2）

Z为受力的螺栓个数，l为螺栓分布圆半径。

为螺栓横截面面积，即=7.85x

K为工况系数，由于设备工作平稳，可取K=1.3

螺栓与法兰盘接触时，Z=3，代入公式（2）可得受法兰盘产生的剪切力=2210.14N，将上述各数据代入公式（1）中，可得与法兰盘接触时单个螺栓剪切应力为36.6MPa＜[τ]，因此法兰盘与单个螺栓接触部位满足螺栓许用剪切应力需求。

螺栓与连接套接触时，Z=6，代入公式（2）可得受连接套产生的剪切力=1105.07N，将上述各数据代入公式（1）中，可得与连接套接触时单个螺栓剪切应力为18.3MPa＜[τ]，因此法兰盘与单个螺栓接触部位满足螺栓许用剪切应力需求。

单个螺栓挤压应力计算：同剪切应力一样，单个螺栓分别承受与法兰盘及连轴套两个部分产生的挤压应力，挤压应力公式如下：

…………………………………………（3）

其中为螺栓与法兰盘或连轴套间接触部位纵截面面积，法兰盘部位=0.01x0.022=2.2x，连接套部位=0.01x0.017=1.7x，分别代入公式（3）计算两个部位的挤压应力。其中与法兰盘接触时单个螺栓挤压应力为13.05MPa＜[]，因此法兰盘与单个螺栓接触部位满足螺栓许用挤压应力需求，与连接套接触时单个螺栓挤压应力为MPa＜[]，因此法兰盘与单个螺栓接触部位满足螺栓许用挤压应力需求。

通过上述测算可知，优化后的螺栓强度足够支撑设备运转过程中产生的各项应力。

（2）法兰盘应力分析

为保证分析有效性，针对优化后的法兰盘采用ANSYS有限元分析，根据螺栓受力情况及工作情况，该法兰盘加工材料也选用40Cr，针对法兰盘的受力情况进行建模后分析，因其为对称结构，故仅针对输出端半边法兰盘进行建模。输出端半联轴器承受3个螺栓对螺栓孔的作用扭矩和作用在定位销及套筒上的反作用扭矩，将前一个扭矩视为驱动力，后一个扭矩视为约束进行建模。由建模结果可知，优化后的法兰盘受到的最大应力集中于其与螺栓连接处，最大应力为27.016MPa，与螺栓所受应力相差不大，远小于加工材料的许用应力，因此该联轴器可进行实际加工应用。

3、应用效果

    优化后针对该联轴器进行加工制作，并安装至设备进行试用，因加工精度保证其同轴度，上机使用过程中设备运行稳定，无其他影响。设备拆卸耗时由原近2小时缩短至30分钟内，优化效果明显，拆卸困难主要问题得到解决。