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TECHNIQUE

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  1、引言 

  膜片联轴器广泛应用于电机驱动的泵、风机、压缩机等应用环境,具有以下优点:无润滑、传递效率高、补偿能力好。但是在应用过程中,经常会遇到各种各样的问题。

  2020年6月收到用户反馈,膜片联轴器螺栓在装机过程中发生断裂。听到螺栓断裂,第一反应是在机组运行过程中发生的,很少有在试装过程中发生断裂。随后用户将断裂螺栓寄回。本文就试装过程中螺栓断裂问题进行问题分析,查找可能导致螺栓断裂的根本原因。

  我们在寻找原因的同时,也为以后用户安装提供理论指导,防止此类问题再次发生。

  2、联轴器螺栓原因分析

  收到用户寄回螺栓,见下图1~图3。

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  图1:已断裂螺栓两件,其中一件螺栓头断裂,断裂面见图3,另一件螺纹处断裂。图2:退回螺栓未发生断裂,螺栓螺纹处已失效。图3:螺栓宏观断裂面。

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  经查,用户订购膜片联轴器型号为TDE4-220X,联轴器额定扭矩为2000Nm,螺栓为LS16铰制孔螺栓,螺母为DIN 980自锁螺母。用户在安装时使用气动扳手拧紧。

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  图6:螺栓相关尺寸

  图7:螺栓硬度测试点,并测量各元素含量

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析
 

  图8:螺母硬度测试点

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  通过洛氏硬度分析仪和材质分析仪,测得数据如下:

  螺栓材质:35CrMo;硬度HRC 28

  螺母由于表面镀层,材质未测,硬度HRC 38

  2-1 首先校核一下螺栓的强度:

  传递扭矩m=2000Nm,联轴器传扭孔分度圆D=160mm,法兰厚度h=22mm,单边螺栓数量为4个,螺栓材质为35CrMo,许用拉应力[σ]=985MPa。  根据图8,从中间段中间截断,考虑左右平衡:压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析


        螺栓承受的承压力,承压面面积,根据承压许用应力

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析
  计算可得:螺栓所受剪切应力和承压力在许用剪切应力和承压力范围内。

  从计算数据来看,螺栓的安全裕度很大。

  2-2 计算螺栓理论上拧断扭矩  压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  通过计算结果可知,当螺栓的拧紧力矩达到435Nm时,螺栓才可能会被拧断。如果按图纸规定力矩92Nm拧紧显然不会出现螺栓断裂情况。2-3 实验验证

  找来与断裂螺栓相同的两个螺栓和螺母。

  其中一个螺栓用扭矩扳手拧紧,调整扭矩扳手力矩为92Nm。

  另一个螺栓用气动扳手拧紧。

  得到的结果见下图:

压缩机膜片联轴器螺栓断裂分析

  图10:扭矩扳手拧两次并拧出,螺栓螺母有轻微发热,螺纹处未见异常。

  图11:气动扳手拧紧一次并拧出,小型气动扳手的最大扭矩为880Nm,螺栓发热严重,并且螺纹处有明显挤压痕迹,可见螺栓镀层脱落,出现金属本色。

  3 结论及预防措施

  经过计算和实验分析,可以发现,由于用户用气动枪钻拧紧,气动枪钻拧紧力矩远大于螺栓规定的拧紧力矩,导致螺栓螺纹处经过积压发热,并且螺栓的硬度小于螺母的硬度,螺纹容易受挤压变形,最终导致螺纹破坏,螺栓螺母锁死,继续使用气动扳手拧紧造成螺栓最终断裂。

  操作建议

  在安装膜片联轴器的时候,请按照联轴器的图纸和说明书安装,使用扭矩扳手按图纸规定的螺栓拧紧力矩拧紧。

  参考文献

  [1]苏翼林. 材料力学[M]. 天津大学出版社, 2001


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