與傳統(tǒng)的齒式聯(lián)軸器相比，高強(qiáng)聚酯彈性體聯(lián)軸器不僅在可預(yù)見性、潤滑和更換等方面具有優(yōu)勢，而且其可以利用不同硬度的彈性塊來滿足用戶對(duì)不同傳遞扭矩的要求，更利于實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器解決方案的定制化，提升設(shè)備可靠性，同時(shí)降低總體運(yùn)營成本（TCO）。
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)行業(yè)而言，彈性體聯(lián)軸器并不是一個(gè)全新的產(chǎn)品類別，但深入了解其不同設(shè)計(jì)和材料特性的人并不多，甚至一些訓(xùn)練有素的維修人員對(duì)此也不能精準(zhǔn)掌控。
作為撓性聯(lián)軸器的一種，彈性體聯(lián)軸器是與機(jī)械撓性聯(lián)軸器（如齒式、蛇簧和鏈?zhǔn)剑┞?lián)軸器、金屬彈性體（膜片式和膜盤式）以及其他類別（柱銷式和彈簧式）等相對(duì)應(yīng)的。而彈性體聯(lián)軸器又根據(jù)彈性體受力不同分為剪切式和壓縮式，本文將重點(diǎn)介紹剪切式Timken Quick-Flex彈性體聯(lián)軸器，創(chuàng)新性的通過彈性體材料升級(jí)和結(jié)構(gòu)多樣化設(shè)計(jì)為動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備帶來的全新選擇。
要更好地理解彈性體聯(lián)軸器的性能，首先要了解什么是“彈性體”。事實(shí)上，任何一種具有天然橡膠彈性屬性的橡膠類產(chǎn)品和聚合物都可被稱為“彈性體”。早在19世紀(jì)30年代前聚合物（一種化合物的混合物）的概念就已經(jīng)存在。但直到1922年真正理解聚合物高分子特性時(shí)，該物質(zhì)的潛能才開始初步發(fā)揮。
圖1 輪齒損壞的齒式聯(lián)軸器
二戰(zhàn)后對(duì)橡膠和絲綢等天然材料替代品的迫切需求促使化學(xué)合成技術(shù)的商業(yè)化強(qiáng)勢興起（合成技術(shù)創(chuàng)造出的合成橡膠和尼龍是最突出的成果）。與此同時(shí)，強(qiáng)大的專業(yè)學(xué)術(shù)課程和研究機(jī)構(gòu)的建立，進(jìn)一步推動(dòng)了這門新興學(xué)科的進(jìn)步。凱氟拉（Kevlar）（PTFE）和特氟龍（Teflon）等一些我們今天熟悉的產(chǎn)品也因此問世。
全新的技術(shù)加上巧妙的設(shè)計(jì)不僅為聯(lián)軸器在材料方面帶來了新的選擇，而且為動(dòng)力傳動(dòng)性能和效率的提升創(chuàng)造了條件。使用聚合物元件連接驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的兩個(gè)聯(lián)軸器軸轂具有與生俱來的優(yōu)勢。對(duì)比目前沿用已久的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品——碳鋼齒式聯(lián)軸器，彈性體聯(lián)軸器的優(yōu)勢尤為突出：不僅適用于不同設(shè)備，且能滿足多種要求。由于貨源充足和長期以來的使用習(xí)慣，使得傳統(tǒng)碳鋼齒式聯(lián)軸器仍活躍在市場上，制造商眾多，但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)卻基本雷同，缺乏創(chuàng)新。
齒式聯(lián)軸器與彈性體聯(lián)軸器的對(duì)比
今天，齒式聯(lián)軸器已經(jīng)成為動(dòng)力傳輸最可接受的解決方案。保守地說，在很多加工工業(yè)中，油脂潤滑的齒式聯(lián)軸器都隨處可見。齒式聯(lián)軸器確實(shí)行之有效且原理易懂，但面對(duì)具體應(yīng)用需求，在選擇采用何種聯(lián)軸器時(shí)還需考慮以下幾個(gè)因素，包括可預(yù)見性、潤滑和更換。
首先是可預(yù)見性。齒式聯(lián)軸器齒圈上的很多齒會(huì)因長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生的磨損導(dǎo)致故障（圖1）。根據(jù)應(yīng)用條件不同（如軸偏心或者沖擊負(fù)荷），磨損的時(shí)間也有所不同。齒嚙合時(shí)鋼-鋼接觸也會(huì)通過聯(lián)軸器傳遞沖擊和振動(dòng)，可能會(huì)對(duì)相連設(shè)備造成影響。通過拆解油膩的聯(lián)軸器來確定剩余壽命并非易事，耗時(shí)較長，直接影響停機(jī)時(shí)間。
而對(duì)于彈性體聯(lián)軸器來說，在可預(yù)見性方面，無疑更具優(yōu)勢。由于彈性體聯(lián)軸器無需鋼-鋼接觸：輪齒之間通過高強(qiáng)彈性體嚙合，彈性體是唯一承受磨損的部位，而且還能緩沖可能出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)。此外，由于沒有軸轂間嚙合，聯(lián)軸器會(huì)在受到超過額定值（超過額定扭矩一倍的扭矩是能夠被間歇處理的常見峰值）的超高扭矩時(shí)自動(dòng)切斷，從而保護(hù)齒輪箱不受損壞。彈性體聯(lián)軸器還配備了多種不同的護(hù)罩選擇，將彈性體固定在聯(lián)軸器中。所有護(hù)罩都能被迅速拆卸，以便快速檢查彈性體的磨損情況。
圖2 該齒式聯(lián)軸器發(fā)生了故障后在拆卸時(shí)不得不采用火焰切割的方式，大幅增加了聯(lián)軸器更換過程的時(shí)間和費(fèi)用
其次是潤滑。如果齒式聯(lián)軸器沒有潤滑，它會(huì)過早損壞。這是因?yàn)楸仨毾螨X式聯(lián)軸器填充潤滑脂以容許軸偏心。若操作正確，這不是問題。但在需要長時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用中，潤滑脂的成本卻不容忽視。不僅潤滑成本會(huì)日積月累的增加，而且補(bǔ)充潤滑脂必須暫停聯(lián)軸器的工作，增加停機(jī)時(shí)間。此外，面對(duì)全球熱議的“綠色環(huán)保”話題，人們也已經(jīng)開始質(zhì)疑齒式聯(lián)軸器在動(dòng)力傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。如果投入一美元的潤滑脂，就需要花費(fèi)5美元用于保護(hù)環(huán)境。而齒式聯(lián)軸器的這些問題在短期內(nèi)是難以緩解或消除。
而彈性體聯(lián)軸器卻無需潤滑，因?yàn)樗捎酶邚?qiáng)聚酯彈性塊。由于無需潤滑，彈性體聯(lián)軸器非常環(huán)保，因此不產(chǎn)生與潤滑脂或潤滑脂清理相關(guān)的成本。工作區(qū)域能保持清潔無油脂，無需專人定期加注潤滑脂。
第三是更換。盡管有維修和保養(yǎng)，齒式聯(lián)軸器還是會(huì)隨著輪齒的磨損而最終損壞。最突出的問題是，齒式聯(lián)軸器磨損后就無法正常工作，而齒圈也不能部分更換，必須換上一個(gè)全新的齒式聯(lián)軸器。第二個(gè)問題是更換過程本身成本高昂。更換聯(lián)軸器軸轂時(shí)，相關(guān)的馬達(dá)和/或變速箱以及附近其他設(shè)備需要拆離原地并為轉(zhuǎn)軸預(yù)留足夠的空間，然后才能拆卸聯(lián)軸器軸轂。新聯(lián)軸器部件安裝就位后，需要將所有設(shè)備裝回原位，精確對(duì)準(zhǔn)。這一過程至少花費(fèi)8~10h。在此期間負(fù)責(zé)維修人員的工時(shí)成本和生產(chǎn)停機(jī)損失均不容忽視。
彈性體聯(lián)軸器的更換更加簡單和方便。彈性體聯(lián)軸器初次安裝后，軸轂就無需更換，因?yàn)閮烧卟唤佑|。馬達(dá)和/或齒輪箱及相關(guān)設(shè)備也不用因聯(lián)軸器更換進(jìn)行二次移動(dòng)。只有在馬達(dá)或變速箱本身需要更換時(shí)，才需更換或拆卸襯套。為了進(jìn)一步節(jié)省時(shí)間，通常預(yù)先在新的馬達(dá)和齒輪箱上安裝新的聯(lián)軸器軸轂。
在正常操作中，需要更換的只有高強(qiáng)聚酯彈性塊，更換時(shí)只需拆掉護(hù)罩，將彈性塊從兩個(gè)軸轂中取出，換上新彈性塊，然后按相反步驟安裝，即可快速輕松地完成更換。上述操作可以在很短時(shí)間內(nèi)完成，相比更換齒式聯(lián)軸器的時(shí)間和成本來說具有很大優(yōu)勢。
綜上所述，合成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)讓彈性體聯(lián)軸器變成一種廣受歡迎的聯(lián)軸器選擇。除上述對(duì)等比較列出的特性和優(yōu)點(diǎn)外，彈性聯(lián)軸器還有哪些更為關(guān)鍵的性能指標(biāo)呢？相同尺寸下的扭矩傳遞能力是衡量聯(lián)軸器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。彈性體聯(lián)軸器可選擇不同硬度的彈性塊。硬度計(jì)是測量材料硬度的諸多方法之一，通常用于合成材料、彈性體和橡膠。
圖3 以Timken Quick-Flex聯(lián)軸器為代表的彈性體聯(lián)軸器無需潤滑，可以提供不同彈性體滿足特定應(yīng)用工況對(duì)扭矩和速度的要求
以某種尺寸的齒式聯(lián)軸器為例，根據(jù)輪齒數(shù)量，該齒式聯(lián)軸器具有唯一的最大扭矩值。但是，對(duì)相同尺寸的彈性體聯(lián)軸器而言，根據(jù)內(nèi)部所用彈性塊的硬度不同，可有不同級(jí)別的最大扭矩值。對(duì)于不同的扭矩要求，只需選擇不同等級(jí)的彈性塊即可。這會(huì)帶來更大的靈活性：可以根據(jù)彈性體聯(lián)軸器尺寸的取值范圍為某個(gè)設(shè)備和應(yīng)用工況量身定制聯(lián)軸器方案；也可以提供更小的等效聯(lián)軸器方案，從而節(jié)省成本。
此前，彈性體聯(lián)軸器通常作為較小尺寸軸聯(lián)接的普遍選擇。這雖然沒有錯(cuò)，但現(xiàn)在有了更多用途。如表所示，對(duì)比了應(yīng)用于重工業(yè)中的大尺寸普通齒式聯(lián)軸器的最大扭矩值和Timken Quick-Flex高強(qiáng)聚酯彈性體聯(lián)軸器的最大扭矩值。彈性體聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)在很多應(yīng)用中代替了齒式聯(lián)軸器，包括破碎機(jī)驅(qū)動(dòng)、輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)、錘式粉碎機(jī)、分離器和其他加工行業(yè)的多種設(shè)備應(yīng)用等。
彈性體聯(lián)軸器助力用戶價(jià)值提升
在選擇聯(lián)軸器時(shí)，可能被忽略的一個(gè)應(yīng)用環(huán)境是露天采礦中常見的電鏟提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這些礦用電鏟是可移動(dòng)的大型設(shè)備，帶有一個(gè)電動(dòng)鏟斗用于挖掘和取料。這種概念和設(shè)備出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，現(xiàn)已應(yīng)用于世界各地礦場。聯(lián)軸器的具體應(yīng)用是在重型電動(dòng)馬達(dá)和提升機(jī)齒輪箱之間的直接驅(qū)動(dòng)軸上，操縱吊桿柱將鏟斗舉上舉下。這需要近3000kW的峰值功率。在彈性體聯(lián)軸器創(chuàng)新使用出現(xiàn)之前，由于產(chǎn)生的扭矩非常大，電鏟總是配備齒式聯(lián)軸器。
某露天采礦廠時(shí)常出現(xiàn)齒式聯(lián)軸器在嚴(yán)苛條件下發(fā)生故障的情況（圖1、2）。檢查輪齒、添加潤滑劑和更換電鏟時(shí)因偏心導(dǎo)致的聯(lián)軸器故障增加了停機(jī)時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)進(jìn)度總是落后。
為了解決這一困擾，客戶向當(dāng)?shù)氐蔫F姆肯公司經(jīng)銷商尋求解決方案，鐵姆肯公司的工程師建議將易發(fā)生故障的聯(lián)軸器全部用彈性體聯(lián)軸器代替。起初客戶有些懷疑，因?yàn)槿藗兺ǔＵ`認(rèn)為彈性體聯(lián)軸器不會(huì)比齒式聯(lián)軸器更好。鐵姆肯公司憑借良好的信譽(yù)和技術(shù)，最終爭得用戶同意，根據(jù)客戶需要的扭矩定制了一個(gè)Timken Quick-Flex聯(lián)軸器（圖3）。
鐵姆肯公司當(dāng)?shù)毓こ處熢谠撔庐a(chǎn)品初次安裝時(shí)提供了現(xiàn)場協(xié)助并幫助其解決了更換聯(lián)軸器過程中出現(xiàn)的其他問題。安裝過程快速而高效，客戶對(duì)整個(gè)過程十分滿意。彈性體聯(lián)軸器安裝于2012年3月，至今運(yùn)轉(zhuǎn)正常。值得一提的是2012年9月，電鏟的齒輪箱體曾發(fā)生故障，但聯(lián)軸器軸轂和彈性塊并沒有發(fā)生損壞，聯(lián)軸器仍在正常工作。維修經(jīng)理表示，如果這種情況發(fā)生在齒式聯(lián)軸器上，就必須更換整個(gè)聯(lián)軸器。初見成效之后，該礦已經(jīng)計(jì)劃更換其他在用電鏟中的齒式聯(lián)軸器。
目前，隨著彈性體聯(lián)軸器逐漸廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢正不斷被發(fā)掘出來：改善性能、降低成本以及增加設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間等特性將征服更多用戶。
