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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2106-5640-1430
摘 要：弹性联轴器是一种有效传递扭矩的驱动形式，在转动设备中得到广泛应用。在使用过程中，设计、选型与维护不当将导致设备出现严重故障。本文对一款采用芯型橡胶缓冲块的弹性联轴器进行失效原因分析，开展宏观形貌、傅里叶红外光谱、体视显微镜、力学性能等检查，并对联轴器选型进行计算校核。最终，针对这类弹性联轴器给出了相应管理策略，有效提高了设备可靠性。
关键词：弹性联轴器 老化 对中 振动
中图分类号：TL38 文献標识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0048-04
Failure Reason Analysis and Management Strategy of Flexible Shaft Coupling
HAN Chuanwei FU Yunfei GUAN Yinbo
（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）
Abstract： Flexible shaft coupling is an effective driving form of torque transmission， which is widely used in rotating equipment. During application， improper design， type selection and maintenance will lead to serious equipment failure. This paper analyzes the failure reason of a flexible coupling with rubber core element， the macroscopic morphology， fourier infrared spectroscopy， stereo microscope， mechanical properties and other inspections are carried out， and checks the type selection of coupling. For this kind of flexible shaft coupling， the management strategy is given， which effectively improves the reliability of the equipment.
Key Words： Flexible shaft coupling; Aging; Alignment; Vibration
旋转设备通常采用独立的驱动和被驱动部件，而避免使用同一个轴，联轴器起到了驱动部件与被驱动部件机械连接与力矩传输的作用[1]。联轴器一般可分为刚性联轴器与弹性联轴器，其中弹性联轴器因可补偿一定的偏心，起到减振及缓冲作用，在多种旋转设备中得到应用[2-3]。
在现场使用过程中，弹性联轴器将不可避免发生故障与失效，严重影响了设备的可用性。因此，有必要对失效的原因进行深入分析，并制定行之有效的预防性管理策略。
1 背景信息
1.1 失效信息
现场巡检发现发电机定子冷却水离心水泵振动较高，已超出技术规程。维护人员立即执行停泵解体维修操作。拆开泵联轴器，发现其中缓冲块老化开裂变形且磨出大量黑色粉末，如图1所示。
如联轴器缓冲块完全碎裂，不仅泵组将停运，还将导致金属齿爪之间出现刚性撞击，从而进一步造成潜在损害[4-5]。
1.2 基本信息
该离心水泵采用的弹性块联轴器为芯型，设计见图2。驱动端与被驱动端采用金属爪，中间采用橡胶块进行缓冲。损坏的橡胶缓冲块材质为丁腈橡胶，现场使用时间已超过5年。厂家产品手册中给出了该款联轴器额定扭矩300N·m，并提示当泵组存在振动时，该联轴器可接受扭矩降为220N·m。
现场解体检查时发现，轴之间的同轴度最大偏差为0.225mm，平行度最大偏差为0.345mm，相比同轴度和平行度可接受准则，联轴器对中已超标[6-7]。
2 失效原因分析
2.1 试样制备
为了便于试验分析与结果比对，对联轴器橡胶缓冲块样品进行编号，其中新样品（备件）标记为样品N，失效样品标记为样品O，并对橡胶块按照顺时针进行逐一编号，即1#至12#，如图3所示。
对样品进行宏观检查、红外光谱检查及硬度检查，由于制样难度较大，未开展力学性能测试。
2.2 宏观检查
采用VHX-1000E体视显微镜对旧样品1#（受力点）、2#（非受力点）及新样品1#橡胶块进行微观检查，结果见图4。
从图4中可以看出，失效件样品O中受力橡胶块正面形貌明显显示橡胶块开裂，并且受挤压发生形变，表面粗糙，形变呈现一定程度的相反方向挤压;非受力橡胶块虽不如受力橡胶块开裂受挤压明显，但也有部分的挤压开裂;而未使用过的新橡胶块样品N，表面平整、均匀、光滑。 2.3 红外光谱分析
对O样品与N样品分别使用傅里叶红外光谱分析进行材质鉴定，结果见图5。傅里叶红外光谱分析（FT-IR）执行标准为《橡胶鉴定 红外光谱法》（GB/T 7764-2001）。
由谱图（a）与（b）可知，2235.18cm-1为-CN的伸缩振动峰;1646.18cm-1为CH2=CH-的伸缩振动峰;1434.87cm-1处出现-CH2-的特征峰在964.71cm-1出现-CH=CH-的伸缩振动峰。经分析，该材料为丁腈橡胶。对比新旧样品图谱，使用过的橡胶缓冲块在2918.01cm-1及2849.19-1cm处出现甲基-CH3伸缩振动峰，及1434.87cm-1处的亚甲基-CH2-伸缩振动峰均有明显减弱，经分析是橡胶主链及侧链发生老化裂解所致[8]。
2.4 硬度测试
使用Digi test II多功能邵氏硬度計对新旧样品的硬度值进行检测，数据见表1。根据厂家资料，弹性缓冲块的标准硬度为78 Shore A，而检测结果显示新样品的邵氏硬度明显小于旧样品的邵氏硬度，现场弹性缓冲块已发生老化及挤压导致材质硬化。
3 选型校核
对联轴器缓冲块的扭矩进行核算，参照标准为《机械式联轴器选用计算》（JB/T 7511-1994）适用范围，其计算扭矩Tc为：
（1）
式（1）中：KW为动力机系数，选取“电动机、透平”I型，即取值1.0;K为工况系数，选取“离心泵”1类，即取值1.00;KZ为起动系数，主动端起动频率≤120次/h，即取值1.0;Kt为温度系数，环境温度约30～60℃，采用丁腈橡胶，即取值1.0;T为理论转矩，T=9550，PW为驱动功率（kW），取值为90kW，n为工作转速（r/min），取值为2978r/min，得出理论转矩为289N·m。
根据式（1），得到弹性联轴器的计算扭矩Tc为289N·m，选型虽然满足要求的额定扭矩TKN，即300 N·m，但裕度较为有限，且泵组在振动时，计算扭矩已经超过规定的220 N·m。
4 结论与建议
4.1 结论
根据现场检查、试验分析及选型校核，得出如下结论。
（1）对中偏差大是联轴器缓冲块失效的主要原因，通过体视显微镜检查可以发现，缓冲橡胶块上存在相反方向的压痕，且中间存在一小段平坦区，说明轴向对中存在偏差。
（2）泵组振动是联轴器缓冲块失效的次要原因，现场检查时发现泵体存在振动。参考弹性块联轴器技术规范中对振动的要求，可以看出联轴器额定扭矩尽管满足实际扭矩，但已超过振动环境下的规定值。
（3）材料老化是联轴器缓冲块失效的一个辅助原因，试验数据显示，丁腈橡胶发生了一定程度的老化。现场长期使用未进行定期更换。
4.2 建议
根据以上分析结论，运维单位应针对性的建立弹性联轴器管理策略，建议主要包括如下。
（1）加强联轴器对中精度控制。应严格按照厂家产品手册要求对联轴器进行对中，包括轴向偏差、径向偏差及角偏差，应对联轴器上螺栓进行适当紧固，保证其符合要求的力矩[9-10]。
（2）降低泵组的振动水平。对泵组振动进行严格控制，定期对泵组振动进行测量，避免实际扭矩超过弹性体联轴器振动环境下允许的最大扭矩。
（3）改进联轴器缓冲块选型。联轴器的胶块容易磨损，对对中变化及胶块减薄比较敏感，丁腈橡胶材质耐油性、耐磨性、动力学性能都较好，但耐候性与耐臭氧老化能力一般，现场失效联轴器弹性块已使用接近寿期末，从试验结果看，性能已有所下降，可考虑选用综合性能更好的聚氨酯材质缓冲块。对缓冲块须根据其老化评估寿命制定定期更换策略，当解体检查中发现橡胶块厚度磨损超过原始厚度25%时，也须立即进行更换。
（4）优化泵组切换周期。现场设计时应保证泵的数量具有一定的冗余度，泵组长期运行一段时间后切换至备用泵，可一定程度上提高缓冲块的使用寿命。
通过以上管理策略的实施，将有效减少旋转设备的失效，提高设备的可靠性与经济性。
参考文献
[1] 文斌.联轴器设计选用手册[M].北京：机械工业出版社，2009：283-327.
[2] 赵之铁，褚洪森，何永慧，等.浅谈橡胶高弹性联轴器选用、计算[J].价值工程，2015，34（33）：136-137.
[3] 邱跃统，段勇，顾笑冬.新型橡胶联轴器设计与静态特性研究[J].机械传动，2020，44（8）：103-107.
[4] 盛贵宾，常山，李应生，等.齿式橡胶联轴器橡胶块静刚度测试与分析[J].机械传动，2013，37（7）：112-116.
[5] 陈德来.梅花形弹性联轴器现场问题分析与计算[J].一重技术，2018（3）：43-48.
[6] M.Pugh. Flexible Shaft Couplings Maintenance[M]. Palo Alto， CA： EPRI，2003：3-8.
[7] 宣元，何琳，廖健.梅花形弹性联轴器液压泵机组不对中故障振动分析[J].国防科技大学学报，2019，41（6）：94-99.
[8] 周晓龙，祝丹，刘海常.核电站RCV泵联轴器润滑脂发黑原因分析[J].润滑与密封，2020，45（6）：133-140.
[9] 武明，成铁芸.机械传动中联轴器同轴度的检测误差及消除[J].机械工程师，2020（4）：136-138.
[10] 蒋能强，任海峰，李亮，等.联轴器防振圈失效引起设备不对中案例分析[J].设备管理与维修，2019（9）：115-116.
摘 要：弹性联轴器是一种有效传递扭矩的驱动形式，在转动设备中得到广泛应用。在使用过程中，设计、选型与维护不当将导致设备出现严重故障。本文对一款采用芯型橡胶缓冲块的弹性联轴器进行失效原因分析，开展宏观形貌、傅里叶红外光谱、体视显微镜、力学性能等检查，并对联轴器选型进行计算校核。最终，针对这类弹性联轴器给出了相应管理策略，有效提高了设备可靠性。
关键词：弹性联轴器 老化 对中 振动
中图分类号：TL38 文献標识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0048-04
Failure Reason Analysis and Management Strategy of Flexible Shaft Coupling
HAN Chuanwei FU Yunfei GUAN Yinbo
（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou， Jiangsu Province， 215004 China）
Abstract： Flexible shaft coupling is an effective driving form of torque transmission， which is widely used in rotating equipment. During application， improper design， type selection and maintenance will lead to serious equipment failure. This paper analyzes the failure reason of a flexible coupling with rubber core element， the macroscopic morphology， fourier infrared spectroscopy， stereo microscope， mechanical properties and other inspections are carried out， and checks the type selection of coupling. For this kind of flexible shaft coupling， the management strategy is given， which effectively improves the reliability of the equipment.
Key Words： Flexible shaft coupling; Aging; Alignment; Vibration
旋转设备通常采用独立的驱动和被驱动部件，而避免使用同一个轴，联轴器起到了驱动部件与被驱动部件机械连接与力矩传输的作用[1]。联轴器一般可分为刚性联轴器与弹性联轴器，其中弹性联轴器因可补偿一定的偏心，起到减振及缓冲作用，在多种旋转设备中得到应用[2-3]。
在现场使用过程中，弹性联轴器将不可避免发生故障与失效，严重影响了设备的可用性。因此，有必要对失效的原因进行深入分析，并制定行之有效的预防性管理策略。
1 背景信息
1.1 失效信息
现场巡检发现发电机定子冷却水离心水泵振动较高，已超出技术规程。维护人员立即执行停泵解体维修操作。拆开泵联轴器，发现其中缓冲块老化开裂变形且磨出大量黑色粉末，如图1所示。
如联轴器缓冲块完全碎裂，不仅泵组将停运，还将导致金属齿爪之间出现刚性撞击，从而进一步造成潜在损害[4-5]。
1.2 基本信息
该离心水泵采用的弹性块联轴器为芯型，设计见图2。驱动端与被驱动端采用金属爪，中间采用橡胶块进行缓冲。损坏的橡胶缓冲块材质为丁腈橡胶，现场使用时间已超过5年。厂家产品手册中给出了该款联轴器额定扭矩300N·m，并提示当泵组存在振动时，该联轴器可接受扭矩降为220N·m。
现场解体检查时发现，轴之间的同轴度最大偏差为0.225mm，平行度最大偏差为0.345mm，相比同轴度和平行度可接受准则，联轴器对中已超标[6-7]。
2 失效原因分析
2.1 试样制备
为了便于试验分析与结果比对，对联轴器橡胶缓冲块样品进行编号，其中新样品（备件）标记为样品N，失效样品标记为样品O，并对橡胶块按照顺时针进行逐一编号，即1#至12#，如图3所示。
对样品进行宏观检查、红外光谱检查及硬度检查，由于制样难度较大，未开展力学性能测试。
2.2 宏观检查
采用VHX-1000E体视显微镜对旧样品1#（受力点）、2#（非受力点）及新样品1#橡胶块进行微观检查，结果见图4。
从图4中可以看出，失效件样品O中受力橡胶块正面形貌明显显示橡胶块开裂，并且受挤压发生形变，表面粗糙，形变呈现一定程度的相反方向挤压;非受力橡胶块虽不如受力橡胶块开裂受挤压明显，但也有部分的挤压开裂;而未使用过的新橡胶块样品N，表面平整、均匀、光滑。 2.3 红外光谱分析
对O样品与N样品分别使用傅里叶红外光谱分析进行材质鉴定，结果见图5。傅里叶红外光谱分析（FT-IR）执行标准为《橡胶鉴定 红外光谱法》（GB/T 7764-2001）。
由谱图（a）与（b）可知，2235.18cm-1为-CN的伸缩振动峰;1646.18cm-1为CH2=CH-的伸缩振动峰;1434.87cm-1处出现-CH2-的特征峰在964.71cm-1出现-CH=CH-的伸缩振动峰。经分析，该材料为丁腈橡胶。对比新旧样品图谱，使用过的橡胶缓冲块在2918.01cm-1及2849.19-1cm处出现甲基-CH3伸缩振动峰，及1434.87cm-1处的亚甲基-CH2-伸缩振动峰均有明显减弱，经分析是橡胶主链及侧链发生老化裂解所致[8]。
2.4 硬度测试
使用Digi test II多功能邵氏硬度計对新旧样品的硬度值进行检测，数据见表1。根据厂家资料，弹性缓冲块的标准硬度为78 Shore A，而检测结果显示新样品的邵氏硬度明显小于旧样品的邵氏硬度，现场弹性缓冲块已发生老化及挤压导致材质硬化。
3 选型校核
对联轴器缓冲块的扭矩进行核算，参照标准为《机械式联轴器选用计算》（JB/T 7511-1994）适用范围，其计算扭矩Tc为：
（1）
式（1）中：KW为动力机系数，选取“电动机、透平”I型，即取值1.0;K为工况系数，选取“离心泵”1类，即取值1.00;KZ为起动系数，主动端起动频率≤120次/h，即取值1.0;Kt为温度系数，环境温度约30～60℃，采用丁腈橡胶，即取值1.0;T为理论转矩，T=9550，PW为驱动功率（kW），取值为90kW，n为工作转速（r/min），取值为2978r/min，得出理论转矩为289N·m。
根据式（1），得到弹性联轴器的计算扭矩Tc为289N·m，选型虽然满足要求的额定扭矩TKN，即300 N·m，但裕度较为有限，且泵组在振动时，计算扭矩已经超过规定的220 N·m。
4 结论与建议
4.1 结论
根据现场检查、试验分析及选型校核，得出如下结论。
（1）对中偏差大是联轴器缓冲块失效的主要原因，通过体视显微镜检查可以发现，缓冲橡胶块上存在相反方向的压痕，且中间存在一小段平坦区，说明轴向对中存在偏差。
（2）泵组振动是联轴器缓冲块失效的次要原因，现场检查时发现泵体存在振动。参考弹性块联轴器技术规范中对振动的要求，可以看出联轴器额定扭矩尽管满足实际扭矩，但已超过振动环境下的规定值。
（3）材料老化是联轴器缓冲块失效的一个辅助原因，试验数据显示，丁腈橡胶发生了一定程度的老化。现场长期使用未进行定期更换。
4.2 建议
根据以上分析结论，运维单位应针对性的建立弹性联轴器管理策略，建议主要包括如下。
（1）加强联轴器对中精度控制。应严格按照厂家产品手册要求对联轴器进行对中，包括轴向偏差、径向偏差及角偏差，应对联轴器上螺栓进行适当紧固，保证其符合要求的力矩[9-10]。
（2）降低泵组的振动水平。对泵组振动进行严格控制，定期对泵组振动进行测量，避免实际扭矩超过弹性体联轴器振动环境下允许的最大扭矩。
（3）改进联轴器缓冲块选型。联轴器的胶块容易磨损，对对中变化及胶块减薄比较敏感，丁腈橡胶材质耐油性、耐磨性、动力学性能都较好，但耐候性与耐臭氧老化能力一般，现场失效联轴器弹性块已使用接近寿期末，从试验结果看，性能已有所下降，可考虑选用综合性能更好的聚氨酯材质缓冲块。对缓冲块须根据其老化评估寿命制定定期更换策略，当解体检查中发现橡胶块厚度磨损超过原始厚度25%时，也须立即进行更换。
（4）优化泵组切换周期。现场设计时应保证泵的数量具有一定的冗余度，泵组长期运行一段时间后切换至备用泵，可一定程度上提高缓冲块的使用寿命。
通过以上管理策略的实施，将有效减少旋转设备的失效，提高设备的可靠性与经济性。
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[8] 周晓龙，祝丹，刘海常.核电站RCV泵联轴器润滑脂发黑原因分析[J].润滑与密封，2020，45（6）：133-140.
[9] 武明，成铁芸.机械传动中联轴器同轴度的检测误差及消除[J].机械工程师，2020（4）：136-138.
[10] 蒋能强，任海峰，李亮，等.联轴器防振圈失效引起设备不对中案例分析[J].设备管理与维修，2019（9）：115-116.