关于机械过载保护机构中剪断销的设计与应用

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摘 要：在诸多传动系统即工程机械的动力装置和驱动装置之间的传动部件的设备应用中，为了有效地保护其中的动力装置的主要元件或者主要部件时，最基本的保护措施就是加设机械过载保护机构。在机械过载保护机构中，简单有效的零件就是剪断销。

关键词：传递动力 保护措施 机械过载保护机构 剪断销

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0009-02

众所周知，机械传动的过载会引起严重后果，轻者可能导致部件变形，卡死断裂，重者可能会引起重大事故，故我们务必研究过载保护，重视过载保护机构。

机械过载保护机构应用于很多传动系统中，传动系统的类型主要分为机械式、液力机械式、全液压式和电动轮式等。这里主要分析机械式的传动系统中的过载保护机构，比如有齿轮传动，链轮传动，带传动等等。

现以链轮传动中的过载保护结构分析为例。

链传动是在两个或多于两个链轮之间用链作为挠性元件的一种啮合传动，因其经济、可靠，故广泛应用于农业、采矿、冶金、起重、运输、石油、化工、纺织等各种机械的动力传动中。

1 过载保护机构的安装使用位置

在链轮传动中，最基本结构组成是电动机通过减速机减速，把转矩传递给减速机输出轴上的链轮（这里称为主动链轮）。再通过一定距离的链条传动，把转矩传递给下一组链轮（这里称为传动链轮）。其中主动链轮的转速高，所受扭矩相对小，传动链轮的转速低，所传递的扭矩大。

因为：功率P=力F×速度V（速度V=半径r×角速度ω）

所以：功率P=力F×半径r×角速度ω；

又：扭矩=力F×半径r；

功率P=扭矩×角速度ω。

上述功率：P为发动机功率；力F为输出轴上圆周的推力；扭矩为发动机扭矩；半径R为曲轴半径；角速度ω为曲轴角速度。

由式子功率P=扭矩×角速度ω可以看出：

当转速提高，发动机功率达到最大时，增加转速，扭矩降低了。

以此类推，当电动机转速最高时，通过减速之后，输出的扭矩大。

过载保护应该布置转速相对较低，转矩相对较大的传动链轮中，要求当输出轴发生过载现象时能及时中断力和运动，但是输入端驱动轴仍可继续转动。这样就需将其中的传动链轮的结构进行改进。

2 过载保护装置的结构

为了达到能保护主要元件的功能，其中传动链轮作为过载保护装置，结构应设计为达到一定载荷要求时，主运动（外链轮）和从运动（轮毂）应脱离。基本结构设计如图1所示。

其中1—链轮通过链条传动与电机链轮连接传动，2—轮毂通过连接平键与输出轴连接。链轮与轮毂通过剪断销周向连接进行传动，如图2所示。这样，当输出轴上的负载产生的扭矩过大，超出动力元件能承受的范围，此时，12—剪断销被剪断，1—链轮和2—轮毂在转动方向可脱离，有效的保护了动力元件，使其工作不能超出额定工作范围。1—链轮和2—轮毂在转动方向脱离后，11—拐臂被弹起，可以外接行程开关，用于剪断销被剪断后的信号输出显示或报警等。

3 剪断销的结构设计

根据剪断销的工作原理及安装使用位置，剪断销的结构设计为圆柱体型，如图2所示。其中两端分别销型式连接于链轮和轮毂上，剪断销中间部位根据使用设计要求应设计为一变径的结构型式。

当轮毂所在轴的载荷过大时，链轮与轮毂之间就会形成一个周向的剪切力，此作用力作用在剪断销上，使剪断销中部受到剪切力，根据设计扭矩的要求即可设计剪断销的尺寸及结构。

4 剪断销的设计实例

确定设计任务：

输入端驱动轴的输出扭矩额定输出转矩M主已确定，要求设计一种能保证≤的结构，即≤。当过载保护起作用时，应当为0。这种结构即为剪断销结构。

以图3所示的实际尺寸，来进行剪断销的设计说明。

图3中的部件参数如下：

已知电动机的选择，依据《机械设计手册》第四卷，《天津减速机股份有限公司》中，二级直联型选型表：

功率为P=5.5 kW，额定转速1500 r/min；

减速机的选择，依据《机械设计手册》第四卷，《天津减速机股份有限公司》行星摆线针轮减速机中的二级立式直联型减速机的选择：

为二级直连式减速，传动比为i减=1/187；

输出轴许用转矩为M减=4070 N·m

主动链轮：

传动节距P=31.75 mm，齿数为Z1=23；

链轮：

传动节距P=31.75 mm，齿数为Z2=35；

两链轮中心距为a=878 mm

根据转矩通过变速结构传动时，传动比和转矩的传递关系。

减速机输出轴的转矩：

M主=M减=4070 N·m

减速机输出轴上的主动链轮，通过P=31.75 mm链条与负载轴上的链轮进行链接传动，传动比为两链轮的齿数比值，

则，链轮所受转矩则为：

N·m

链轮周圆上所受力为：，其中M从=6.2×103N·m，=167 mm

剪断销离轴心的距离为90 mm，则有以下关系：

，

剪断销发生剪断，是所产生周向力使剪断销受到一个剪切力的作用，。

此时，剪断销发生剪切时所能承受的最大剪切应力为[]，根据《机械设计手册》，45号钢[]=178 MPa（MN/m2）；理论计算数据之上扩大约3%～5%；

即满足条件：≥时，剪断销被剪断。其中

其中，F为剪切力；A为剪断销截面积；d—剪断销的截面直径。

综上可得：

d≤×（1.03～1.05）

=×（1.03～1.05）

=12.8～13.1 mm

因此，剪断销的最佳直径应设定为13 mm。

综上实例的设计过程，在已知动力原件的额定输出时，根据各级的传动情况，就可以设计出过载保护机构中剪断销的所需用规格尺寸。另外，如果已知输出轴能承受的最大的负载时，也能根据额定负载设计剪断销的规格。

众所周知电路上经常安装有“保险丝”，当电流过大时，保险丝首先被熔断，可保证电路上其它电路元件的安全。机器上有时也需要安装“保险器”，即机械式过载保护装置，使它成为机械中的一个薄弱环节，一旦机器过载，过载保护装置首先破坏或自动脱开直接或间接相连的工作零部件，以免使其他零部件遭到破坏，起到过载保护的作用。

5 结论

目前，不仅仅是在常用的常见的机械方面、电子方面等应用广泛，在很多其他大型或精密系统设备中也加设使用。过载保护的类型也多种多样，破坏式过载保护，脱离复位式过载保护，过载保护开关等等。过载保护，看似简单，但是要做好并不容易，也需要综合考虑很多方面的因素来进行设计使用。

参考文献

[1] 邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2008，1.

[3] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2008，4.

[4] 天津减速机股份有限公司[J].天津：行星摆线针轮减速机，2000.