YB-900液力变矩器输入轴键槽失效原因分析

何建春 刘 洋

川庆钻探工程公司川西钻探公司 四川遂宁市

一、引言

YB-900液力变矩器是钻机动力传递的重要元件，变矩器输入轴与输入连接盘配合的键槽部位曾发生严重滚切失效现象（图1）。由于损坏严重，整个轴面临报废。

键槽处在输入轴的端头，该段轴有 1∶10 的锥度，配合长度110mm，小端直径108mm，在锥面上开有30mm×104mm的单键槽（图 2）。

二、失效原因分析

（1）强度校核。变矩器输入额定功率P=708kW，变矩器输入额定转速v=1200r/min，则扭矩T=9550P/v=5634.5N·m。

应用inventor软件对该轴取段（图3）进行建模分析，可知输入轴及键槽满足实际输入功率要求。

（2）轴端部内外锥面的配合是否紧密和有无间隙，是轴端部上的紧固螺母来实现的（除加工因素外），通常锥面在紧密配合情况下，在动力输入时，轴和连接盘是不会发生相对位移的；但是若出现保险铁皮失效后，定位螺母松动就会在变矩器运转振动的情况下出现松动，从而导致轴与连接盘由静配合变为动配合；此外，一般情况下键与连接盘的配合都是间隙配合，当轴与连接盘传递扭矩时会一个微小的相对角位移α（图4），在传递动力的过程中，键就会对键槽的一侧进行挤压、碰撞。

图1 键槽部位滚切失效

图2 输入轴端锥面键槽

图3 inventor软件建模

（3）为分析直观，将输入轴工作锥面的中部截面作为参考截面，如图5。

经对实物测绘，图5中 R为此断面轴半径，R=57mm，H为此断面键槽到轴中心距离，H=44mm，b为键槽宽度，b=30mm，那么图5中键槽侧面高度S=10.99mm，键槽侧面轴部有效实体宽度t=21.24mm，则轴键槽能承受的挤压应力σp可用式（1）计算。

式中 σp——轴键槽承受的挤压应力，MPa

T——传递的扭矩，N·mm

图4 轴与连接盘相对角位移

图5 输入轴锥面中部截面

d——中间断面轴径，mm

S——键槽侧面高度，mm

L——键的工作长度，L=89mm

（4）输入轴与连接盘有相对角位移后，作用在输入轴键槽右侧的应力就会由面接触变为作用在键槽顶部的线接触。这时键槽的右侧面就形成了一端固定一端受力的简支梁结构，那么其作用在键槽右侧面的应力σ可由式（2）计算。

式中 σ——键槽右侧面的应力，MPa

P——径向作用力，kN。P=T/（d/2）=98.85

w——材料截面模量，mm3，w=St2/6=8.26×10-6

由计算结果可知σ＞σp，此时的输入轴键槽右侧面将在应力σ的作用下产生一个初变形，当输入轴工作在变载工况时，键与连接盘即会对键槽左侧面产生冲击应力。随着冲击次数的增加，键槽右侧面沿水平方向的变形也在增加，最终导致键槽单边严重破坏，使轴失去修复价值。

三、结论

通过以上分析可以看出，为了消除类似锥度配合的键槽侧面损坏，必须确保紧固螺母紧固，使锥面配合紧密无间隙，避免键与轴及连接盘，由静配合变为动配合，从而避免产生冲击载荷，造成键槽损坏。