多晶硅破碎机设计.doc

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1、引言多晶硅是半导体工业、电子信息产业、太阳能光伏电池产业的最主要、最基础的功能性材料，多晶硅太阳能电池生产需要多晶硅材料，集成电路用硅单晶生产同样需要多晶硅，其重要性不言而喻。因此，对多晶硅的基本定义、生产工艺技术、国内外多晶硅产业现状的充分了解和和相关信息的掌握，对多晶硅产业感兴趣的政府、财团等投资者是致关重要亦是极其必要的。多晶硅产品的主要用途如下：可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能；高纯的晶体硅是重要的半导体材料；金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；光导纤维通信，最新的现代通信手段；性能优异的硅有机化合物。从现有数据分析，至2010年太阳能电池用多晶硅至少在30 000 t以上，据国外资料分

2、析报道，世界多晶硅的产量2005年为28 750 t，其中半导体级为20 250 t，太阳能级为8 500 t，半导体级需求量约为19 ooo t，略有过剩；太阳能级的需求量为15 000t，供不应求，从2006年开始太阳能级和半导体级多晶硅需求均有缺口，其中太阳能级产能缺口更大。世界多晶硅产业发展趋势主有以下两点：多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断局面不会改变；新一代低成本多晶硅工艺技术研究空前活跃。2005年全球太阳能电池用多晶硅供应量约为10448吨，而2005年太阳能用硅材料需求量约为22881吨，如果太阳能电池用多晶硅需求量按占总需求量的65%计，则太阳能电池用多晶硅需求量约

3、为14873吨，这样全球太阳能电池用多晶硅的市场缺口达4424吨。2005年半导体用多晶硅短缺 6000吨，加上太阳能用多晶硅缺口4424吨，合计10424吨，供给严重不足，导致全球多晶硅价格上涨。目前多晶硅市场的持续升温，导致各生产厂商纷纷列出了扩产计划，根据来自国际光伏组织的统计，至2008年全球多晶硅的产能将达49550吨，至2010年将达58800吨。预计到2010年全球多晶硅需求量将达85000吨，缺口26200吨。从长远来看，考虑到未来石化能源的短缺和各国对太阳能产业的大力支持，需求将持续增长。根据欧洲光伏工业联合会的2010年各国光伏产业发展计划预计，届时全球光伏产量将达到15G

4、W（1GW=1000MW），设想其中60%使用多晶硅为原材料，如果技术进步每MW消耗10吨多晶硅，保守估计全球至少需要太阳能多晶硅5万吨以上中国多晶硅工业起步于20世纪50年代，60年代中期实现了产业化，到70年代，生产厂家曾经发展到20多家。但由于工艺技术落后，消耗大，成本高等原因，绝大部分企业亏损而相继停产或转产。进入21世纪以来，强大的需求和丰厚的利润刺激着多晶硅产业的迅速膨胀。多晶硅现货价7年内上涨了10倍，高峰时利润率超过800%。截至08年12月，已有超过10家上市公司投资多晶硅项目，已公告的投资额近60亿元，总投资额高达300多亿元。2009年新春伊始，有两件事情令多晶硅-光伏产

5、业振奋。首先是能源法已经提交到国务院法制办，这将直接影响“十二五”期间国家能源政策的整体规划。随后，无锡尚德、赛维LDK、常州天合、林洋新能源、CSI阿特斯、南京冠亚等在内的太阳能电池生产巨头们已将“1元/度”光伏发电成本的方案上交给科技部。这标志着光伏发电入网已经不再那么遥远，这两大利好无疑给予多晶硅-光伏企业一剂兴奋剂。2009年1月，国家发改委已正式批复，同意在洛阳中硅建设多晶硅材料制备技术国家工程实验室，并安排1500万元国家投资补助资金，这表明海外对中国高纯多晶硅产业的技术壁垒正在被一一打破，对缓解中国多晶硅需求主要依赖进口现状具有标志性意义。由于多晶硅硬度大，这就给破碎带来不便，而

6、且在破碎过程中不能使多晶硅受污染。我们最常想到的是用破碎机进行高效率的破碎。破碎机应用市场非常广泛，包括化工、矿山、建筑等各个行业。在中国最重要的应用领域是水泥行业、铺路和矿山，应用在这两个行业的破碎机各约占整个行业的30%左右。常用的破碎机械有颚式破碎机、旋回破碎机、圆锥式破碎机、辊式破碎机、锤式破碎机和反击式破碎机等几种。1 课题提出背景1.1课题设计分析多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。是生产太阳能电池的主要原料。多晶硅也可生产出不同型号的太阳能电池组，把太阳能转化为电能。该产品广泛

7、用于航天、航空以及城市建设、交通、通讯等领域。当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。从还原炉成形完成后的硅棒首先要进行破碎，目前国内的破碎方法依然维持在人工破碎，一般3个人10分钟能够破碎200kg，大小在10*10cm 的。也有机械空气锤砸的。拿下来后都会先锯成2030cm长一段一段的。人工破碎方法包括直接用碳化钨锤砸，有人提到用不锈钢垫着，试想不锈钢会污染多晶硅；机械方法需要用镀硅的锤子，掌握锤的力度，可控制砸出来的块度，由于多晶硅硬度高，并且不能污染多晶硅，所以所用锤子要求高，是一种特殊材

8、料做的，锤子的价格是很高贵的。 可想而知用人工破碎的效率是很低的，并且人的工作时间是有限制的，所以现在急需设计出多晶硅破碎机，这个设计的提出在破碎机行业产生很大的轰动。它不仅弥补了中国多晶硅破碎机械的空白，还起到了推动科技进步的作用。1.2国内破碎机械的发展现状和趋势随着国内基本建设和国民经济的持续发展，我国 破碎机械市场已经成为国际设备制造商关注的焦点， 破碎机械行业也不例外，外资的进入，进一步加剧了市场的竞争程度，其首要问题就是要提高现有破碎设备的质量和技术含量，尽快缩小与国外先进水平的差距，创造自己的品牌，争取市场主动。1、圆锥式破碎机圆锥式破碎机往往作为砂石场的二级和三级破碎设备。圆锥

9、式破碎机以圆锥底圆直径尺寸作为规格的划分标准。常见为底部单缸和（外部）多缸2种型式。国内目前主流产品为弹簧圆锥破碎机)（即用弹簧来代替外部油缸），归属于多缸式。1、1使用性能圆锥式破碎机)的性能主要体现在允许进料粒度、处理能力和排料粒度等3个方面。 目前，国内市场上的弹簧圆锥式破碎机产品与国际上先进水平相比，性能上的差异主要有进料小、排料大、处理能力低和机器重等几个方面，这主要是设计理念落后造成的。 20世纪50年代，原苏联的西蒙斯式圆锥式破碎机技术进入我国，80年代我国又直接引进国钱60年代技术水平的西蒙斯弹簧圆锥机，至今虽经过不少改进，但主体结构基本上没有大的变化。因此，在腔形设计、动力学

10、与运动学的设计等方面，运落后于国际先进水平。1、2技术差距设计上的落后主要表现在机构实现层压破碎原理（或称料层破碎）的程度上。20世纪50年代实验室试验证明，物料的单颗粒粉碎与多颗粒（形成料层）粉碎。其功耗和粉碎后的机械理尽可能实现层压破碎，因而可以摆脱完全依靠排矿口来控制出料粒级的情况，从而实现较大的进料粒度、较小的排料粒度和较大的处理能力。因此，设计的先进性在于尽可能为层压破碎创造条件，采用腔形设计和加大破碎力就是有效的措施。以主轴摆动速度和偏心距为例，不同发展阶段的3种圆锥式破碎机性能也不同。2、复摆颚式破碎机复摆颚式破碎机是砂石场的初级破碎设备。以下主要从3个方面来分析国内外产品差异。

11、(1)产品的品种规格复摆颚式破碎机以进料口的长度和宽度来标定机器的规格，国内制造商基本上按行业标准制造约8种规格粗碎系列产品。国际上主要制造商的产品有更多的规格。例如：美卓集团的诺德伯格公司，有C、VB和重型3个系列合计22种规格；特雷克斯集团的锡达公司有28种规格；爱斯太克集团的先锋公司有15种规格。 (2)产品的性能复摆颚式破碎机(介绍 价格 图片)的主要技术参数是处理能力和最大允许进料尺寸。同一规格的复摆颚式破碎机由于设计不同，其最大允许进料尺寸也不相同，我国参照采用原苏联标准，进料口宽度以固定齿板齿尖（齿底）与活动齿板齿底（齿尖）距离为计算标准，而国际上不少企业以固定齿板 和活动齿板之

12、间距离计算，由此，标明相同规格的产品，国内产品与国外企业的产品相比实际上往往小一个齿深的距离，大规格的破碎机齿深 为60-100mm，因而国内产品的允许进料尺寸往往偏小50-80mm。复摆颚式破碎机)的排矿口可以调整，不同排矿口对应有不同的处理能力。因此，在比较处理能力时，应确定排矿口尺寸相同。(3)产品的设计与制造工艺近20年来，针对复摆颚式破碎机运动方法的四连杆机械(介绍 价格 图片)设计理论有很大进展。例如：破碎腔的双向啮角，短肘板大摆角，减少传动角与偏心距等，国外公司所提供的产品往往已采用这些经过验证的先进设计理论来提高产品性能和使用可靠性。我国国内制造商由于种种原因采用先进设计理论甚

13、少，其主流产品几乎都是20世纪70年代之前定型的产品，采用耐磨材料，（如高锰钢）和重要配套件（如调心滚子轴承）等国产基础件，使用寿命低于国际先进水平的同类产品。此外，主机厂的加工和装配工艺上多年来也较少有改变，例如轴承孔、轴承座的加工的装配工艺及机架的加工与装配等等。3、立轴冲击式破碎机（VSI）作为20世纪80年代发展起来的破碎机型，已在砂石场广泛应用，被用户公认为最有效的制砂设备，通常直称为制砂机。 立轴冲击式破碎机以叶轮直径作为规格的划分标准，按叶轮形式分为开式和闭式。按外壳是否装有反击板可分为石打石和石打铁2种破碎方式，从而组合为4种基本形式。（1）技术性能开式叶轮将允许100-150

14、mm的进料粒级，而国内至今没有商品化的开式叶轮立轴立轴冲击式破碎机提供给市场。因此在砂石场国内立轴冲击式破碎机仅能作为三级或四级破碎设备而不能如国外那样作为二级破碎设备。 （2）耐磨材料和零件设计 由于在立轴冲击式破碎机上设计了物料的料垫来取代衬板作为易损件，因而，提高耐磨件的使用寿命可分解为零件设计和耐磨材料应用2个方面，例如，第二代叶轮设计曾采用外径堆焊耐磨材料进行保护，现在先进的零件设计已采用料垫保护方式，取消了价格昂贵的铬合金钢堆焊。4、反击式破碎机以往中小型砂石场常采用细碎颚式破碎机作为二级破碎设备，目前，大中型砂石场以圆锥式破碎机为主。在一些特殊场合，例如要求矿石产品的颗粒状立方形

15、特别严格（即针片状颗粒比较少）时，往往采用反击式破碎机作为二级或三级破碎设备，例如我国高等级公司建设的路面石料场普遍采用该类型的设备。在国外由于城市建设废弃物的钢筋混凝土再生十分普及，因此，采用反击式破碎机为主要设备十分常见。 反击式破碎机以转子的直径和有效长度作为规格划分标准，国内外典型产品的差距主要是产品设计和耐磨材料两个方面。（1）产品设计 同一规格的反击式破碎机国内外产品的主机质量相似，然而，国产产品机壳质量小，转子的反击架质量大，而国内产品机壳和转子质量大，反击架质量较小。由于转子的质量小，转动惯量小，拖动的电机功率也小，特别在破碎硬岩用希望获得小颗粒时的处理能力低。 （2）耐磨材料

16、 作为二级或三级破碎的反击式破碎机，在破碎硬物料时基主要抗磨零件板锤采用高铬铸铁制造，我国的高铬铸铁标准（抗磨白口铸铁标准）适用于小型零件。 国内外破碎机械存在差距的原因很多，其中市场需求不同是造成差距的客观原因，由于国际市场上优秀的破碎设备制造商集中在欧美地区，那里大规模的基本建设阶段已过去，市场对砂石料的需求不多，且环保要求又高，势必形成砂石场高度集中以大规模生产来实现环境保护，帮所需破碎设备规格大、自动化程试想高、机动性强。 目前国内的破碎机械制造商无论国有企业还是民营企业，在科技开发上的投入不足是产品差距的主观原因，既缺乏科研手段（例如几乎没有一家制造商具备岩石实险室），又缺少先进技术

17、支撑，自主产权的开发力量十分薄弱。尽管国内外破碎设备差距很大，但纵观国外的破碎设备制造商由于本土市场日渐缩小，生产成本高，纷纷开拓本国以外的市场，而且作为传统工业在资金、人才等方面获得新的投入甚少，因此，近来年兼并重组频繁，这种局面给国内破碎机械制造商以很大的发展机遇，毕竟我国的制造成本较低，又有较好的重工业基础，通过引进国际上先进技术，产学科研投入，一定能克服技术上的差距，使我国的破碎设备产品更好的进入国内外市场。1.3破碎机械的工作原理及其分类破碎机械物料破碎的方法虽然类型繁多，但按照施力方法不同，有挤压、弯曲、冲击、剪切和研磨等方法。在破碎机械中，往往是几种施力同时存在,施力情况很复杂，

18、在某一台破碎机械中也只有一种或二种主要施力。由于物料颗粒的形状不规则，而且物性不同，所以采用的粉碎方法也不同，利用机械力粉碎物料按施加外力不同有如下几种方法：1、压碎 破碎机械将物料置于两块工作面之间，施加压力后，物料因压应力达到其抗压强度而破碎，这种方法一般使用于破碎大块物料。2、劈碎 破碎机械将物料置于一个平面及一个带尖棱的工作平面之间，当带尖棱的工作平面对物料挤压时，物料将沿压力作用线的方向劈碎。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限。物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。3、折碎 物料受破碎机械弯曲应力作用而破碎。被破碎物料承受集中载荷作用的二支点简支梁或多支点

19、梁。当物料的弯曲应力达到物料的弯曲强度时，即被折断而破碎。4、冲击破碎 物料受破碎机械冲击力作用而破碎，由于其破碎力是瞬时作用的，其破碎效率高、破碎比大、能量消耗少冲击破碎有如下几种情况：(1) 运动的物体对物料的冲击(2) 高速运动的物料向固定工作面冲击(3) 高速运动的物料互相冲击(4) 高速运动的工作体向悬空的物料冲击5、磨碎物料与运动的工作表面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪切应力达到物料的剪切强度极限时，物料便粉碎，或物料彼此之间摩擦时的剪切、磨削作用而使物料破碎。按照构造与工作原理的不同，常用的破碎机械有如下几种类型(1) 鄂式破碎机是依靠活动颚板作周期性的往复运动，把进入两鄂

20、板间的物料压碎。(2)锤式破碎机 物料受高速回转的锤头的冲击和物料本身以高速向固定衬板冲击而使物料破碎。(3) 圆锥破碎机(旋回破碎机）靠内锥体的偏心回转，使处在两锥体间的物料受到弯曲和挤压而破碎(4) 反击式破碎机 物料受高速运动的板锤的打击，使物料向反击板高速撞击，以及物料之间相互撞击而破碎。(5) 辊式破碎机物料落在两个相互平行而旋回相反的辊子间（相向转动），物料在辊子表面的摩擦力作用下，被扯进转辊之间，受到辊子的挤压而破碎。1.4锤式破碎机的优点常用的五大类破碎机械中，锤式破碎机属于以冲击作用为主来破碎脆性物料的机器，故常被称为冲击式破碎机。冲击式破碎机与以挤压作用为主的破碎机，如颚式

21、、园锥和辊式破碎机等相比，有以下的特征： 1、破碎比大。冲击式破碎机的破碎比可达到50以上，而颚式、园锥和辊式破碎机很难超过20。于是，在需要单段破碎的场合，例如水泥工业的石灰石破碎，冲击式破碎机使用十分普遍。 2、产品颗粒好。在冲击作用下，被破碎物料往往沿着其最脆弱层面碎裂，这种选择性破碎法，其颗粒呈立方体形态的概率较高，故冲击式破碎机产品的针片状百分比含量可低于10，而颚式、园锥和辊式等破碎机产品的针片状百分比含量会高于15。于是，在需要立方体颗粒的场合。例如，高等级公路的防滑路面，通常采用冲击式破碎机来作为终破设备，生产混凝土骨料。3、构造简单，尺寸紧凑，自重较小，单位产品的功率消耗少。

22、4、工作连续可靠，维护修理方便，易损零部件容易检查和更换。1.5设计方案的选取 多晶硅棒料的尺寸是直径150mm,长2500mm的圆柱，硬度非常高，而且在破碎的过程中必须保证不能污染多晶硅，这给设计带来一些难度。经过反复的设计，最终确定了方案，破碎机类型为锤式破碎机，模仿工人的锤击方式。1、第一种方案：将破碎部的原动系统放在设计好的箱体上，相对于地面是固定的，多晶硅棒料放在V型槽内，用气动压盖压紧，防止棒料窜动。当棒料被破碎后，碎料沿着溜板落到传送皮带上。2、第二种方案将破碎部的原动系统放在设计好的箱体上，箱体上装有滑道，通过齿轮、齿条传动带动锤体移动，多晶硅棒料放在托板上，托板用气缸推动，当

23、棒料被破碎后，托板翻转将碎料倒在传送皮带上。3、方案对比 我选择的是第一种设计方案，它相对于第二种方案的优点如下：（1） 破碎后的棒料集中收集到一起，方便运送。（2） 破碎时锤体不需要移动，比较容易控制。 下图是采用方案的示意图。2 电动机的选取2.1电动机的分类1、按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。 其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机

24、又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 2、按结构及工作原理分类 电动机可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 3、按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍 式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 4、按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。 驱动用电动机又分为电动工具

25、（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 5、按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6、按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。 低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪

26、极同步电动机等。 调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、变频调速电动机和开关磁阻调速电动机2.1电动机的设计理想设计是破碎锤在3.5秒中从水平位置逆时针旋转90，从这个要求出发来选取电动机。为了保证锤体旋转角度超过90后能够顺利的返回和锤头下落后产生足够的转矩，在锤体旋转60时加配重。首先确定破碎锤体，连接套和配重对旋转轴心产生的转矩，求出所需的功率。为了更准确的计算出转矩的大小，运用UG三维软件画它们的图纸，分析出了需要的数据，如图：图1 锤体图2 锤体分析图3 连接套图4 连接套分析 图5 配重图5 配重

27、图6 配重分析破碎锤体的数据 ， ,；连接套的数据 ,产生力矩分别为 则总转矩为 锤体转到60时的转矩为配重，锤体和连接套产生的转矩之和锤体产生的转矩 连接套产生的转矩 配重的数据 , 则总转矩为 因为，所以取进行计算1、求低速级输出轴受力F得 低速级输出轴上线速度V得 低速级输出轴所需有效功率 传动装置的总效率 滚动轴承效率 齿轮啮合效率 联轴器效率 离合器效率 则传动总效率 由于传动过程中有机械能损失，取安全系数K=6所需电动机功率 2、确定电动机的转速低速级输出轴的转速 按工作条件选用三相异步电动机，电压380V，依据整体的要求选用YS200W-4P型号电动机，数据见下表。 YS200W

28、-4P数据电动机型号额定功率满载转速频率电动机质量降速比YS200W-4P0.2kw1400r/min50HZ1:803 传动系统的设计3.1传动系统的设计方案 已知电动机转速为1400r/min，通过自身的降速后转速为17.5 r/min，由于锤体的转速要求是0.45rad/s（约4.29 r/min）,所以必须进行降速，这里选择最普遍的办法解决，用圆柱直齿轮传动降速，它的优点是传动平稳，传动比准确，使用寿命长。为了保证传动的平稳和提高使用寿命，采用二级齿轮降速，每级降速的传动比i=2。这个齿轮组相当于一个减速器，内部结构也比较简单，三个传动轴分别是高速轴，中间轴和低速轴。电动机的输出转矩通

29、过安全联轴器传递到高速轴，经过一对齿轮降速后将转矩传递到中间轴，再经过一对齿轮降速后将转矩传递到低速轴，低速轴上配有离合器，将转矩传递给破碎锤体。整个系统结构紧凑，机械效率高，设计思路清晰。3.2低速级齿轮的设计 已知电动机转速为1400r/min，通过自身的降速后转速为17.5 r/min，由于锤体的转速要求是0.45rad/s（约4.29 r/min）,所以必须进行降速，这里选择最普遍的办法解决，用圆柱直齿轮传动降速，它的优点是传动平稳，传动比准确。为了保证传动的平稳和提高使用寿命，采用二级降速，每级降速的传动比i=2。从电动机开始计算各轴的运动及动力参数0轴：0轴即电动机轴 轴：轴即减速

30、机构高速轴 轴：轴即减速机构中间高速轴 综合要求条件，小齿轮转速,传动比i=2,小齿轮T=21710每天2班，预期寿命20年。1、选择材料 小齿轮材料选用40Cr钢，调制处理，齿面硬度250280HBS，大齿轮材料选用45钢，正火处理，齿面硬度162217HBS。计算应力循环次数N 查图得 , (不允许有点蚀) 取 取 取 按齿面硬度250HBS和162HBS，取，。计算许用接触应力 因为，计算中取=526.24Mpa。2、按齿面接触强度确定中心距小轮转矩T=21710初取，取，查表得，减速传动。计算 计算中心距a 取中心距a=75mm 取标准模数 m=2.5mm齿数齿轮分度圆直径 齿轮齿顶圆

31、直径 齿轮基圆直径 圆周速度 选齿轮精度为9级3、验算齿面接触疲劳强度按电机驱动，载荷平稳，取按9级精度和 得。齿宽 。按，因小齿轮相对轴承为非对称布置，得根据机械设计手册可查的.2计算载荷系数：计算端面重合度 齿顶压力角 计算齿面接触应力，安全。4、校核齿根弯曲疲劳强度：按，查手册得， 查手册得，。由，。取，计算许用弯曲应力： 计算齿根弯曲应力： 安全。 安全。5、齿轮主要几何参数， 4 安全联轴器的选取4.1安全联轴器的介绍安全联轴器具有过载安全保护的功能。即当其传递的转矩超过预先设定的极限转矩时，其连接件备剪断、分离或打滑而使传动中断，保护了系统中重要的零部件。安全联轴器分为软启动型（如

32、钢球与钢砂离心式软启动安全联轴器）和硬启动型（如剪销式、LKA型弹性块和液压安全联轴器）两大类，前者可以是工作机达到平稳启动、转速逐步上升和节能的效果，避免或减少启动时的冲击和振动，可以通过控制钢球的填充量调整启动时间，运转过程中无需维护，但不宜用于低速传动系统。硬启动型则无上述优点。LKA型弹性块安全联轴器具有一定的缓冲减振和补偿所连两轴相对偏移的能力。液压安全联轴器可以通过注入油的液压，可在较大范围内调整极限转矩。下面介绍一下四种安全联轴器：1、钢球和钢砂离心式软启动安全联轴器钢球和钢砂离心式软启动安全联轴器通过钢球或钢砂离心压力产生的摩擦力传递转矩，通常将联轴器装在传动链的高速端。当原动

33、机启动时，由于转速低，离心力很小，其产生的摩擦力也很小，联轴器打滑，主动侧随原动机旋转，被动侧静止，原动机为近似空载启动。随着转速的增加，摩擦力逐渐增大，联轴器的被动侧带动工作机开始旋转，直到与主动侧同步旋转，原动机的整个启动过程是一个平稳的逐渐加载的过程，实现原动机的软启动。当工作机载或卡死时，由于转矩超过了设计摩擦力可传递的转矩，联轴器打滑，防止机械不见的损坏及电动机的烧毁。钢球离心式软启动安全联轴器的主要特点如下。（1）软启动性好。原动机启动时，联轴器处于打滑状态，可将负载启动转变为近似空载转动，实现原动机的软启动（2）可靠的过载保护并可调节。当工作机过载或卡死时，联轴器打滑，限制了功率

34、的增加，当异步电动机因过载导致转速下降时，联轴器可将传递功率随转速迅速下降，有效保护了电动机不被堵转。（3）节省能源与设备费用。由于实现了软启动，降低了启动电流，缩短了峰值时间 ，降低了消耗，同时，减小了设备的启动冲击，节省设备维修费用。（4）安装拆卸方便，工作可靠，运行中无需维护，承载能力大，外形尺寸小，但长时间打滑发热严重，不适频繁启动或频繁换向的场合。2、剪销式安全联轴器 剪销式安全联轴器是破坏元件式安全联轴器中应用最广泛的一种结构，过载时，销被剪断而终止传动，起到了安全保护的功能。其结构简单，制造容易，尺寸紧凑，可与各种非安全联轴器组合。但受到制造精度及材质的影响，过载时动作精度不高，

35、且精度随销子数量的增加而降低。此外，由于疲劳损伤的增加，销的强度也随时间增加而降低，它主应用于偶然发生过载的场合。3、LKA型弹性块安全联轴器LKA型弹性块安全联轴器为弹性联轴器，弹性软件为橡胶，无扭转传动间隙，通过改变橡胶配方可改变扭转刚度，具有补偿两轴相对偏移以及减振、缓冲作用，结构简单，使用于大中功率、振动冲击大的场合。4、液压安全联轴器 液压安全联轴器的核心部件有联结套、剪切环、安全管和压力油组成。液压安全联轴器工作是安全元件不受疲劳因素影响，设定传动转矩稳定；超载时脱开时间短，性能安全可靠；通过调整注入油压的大小，可设置准确的过载保护转矩值，更换安全管方便，缩短了辅助工时；结构紧凑，

36、质量小，便与其他传动件使用。4.2联轴器的类型选择 联轴器的类型选择就是根据机器工作的需要正确的选择联轴器类别、品种及其结构形式。选择适合某一传动系统的最佳联轴器并不容易，这是因为联轴器工作的好坏，除与本身结构、几何尺寸和特征参数有关外，还与其所处轴系的动力特性、载荷情况、安装和维护等因素有关。因此，某一种性能较好的联轴器通常只能在某一特定的传动情况下才能取得良好的工作效果。选择联轴器时需要考虑以下八方面因素。1、联轴器所连接两轴的相对偏移 联轴器所连接的两轴，由于制造和安装误差、受载和温差变形、运载磨损引起间隙以及两轴设计的特殊要求等因素导致两轴的相对偏移是难以避免的。因而联轴器对相对偏移的

37、两轴补偿能力是选型时首先要考虑的事。2、联轴器的载荷特性 动力机到工作机之间，通过数个不同形式或规格的联轴器将主、从动端连接起来，形成轴系传动系统，动力机和工作机的机械特性对整个传动轴系有重大的影响。动力机由于工作原理和结构的不同，均将使传动系统所承受的载荷有重大的差异，有的运转平稳，转矩波动小；有的却产生很大的转矩波动，甚至严重的冲击。因此有严重冲击载荷和长期波动载荷时，选择具有缓冲减振功能的联轴器，以达到削减尖锋载荷和扭转振动以及调整系统的固有频率，防止共振的目的。3、联轴器的工作转速 联轴器的工作转速的大小直接关系到联轴器零件的离心力和弹性元件变形的大小，过大的转速会导致磨损增加、润滑恶

38、化、连接松动。联轴器的需用转速范围是根据联轴器不同材料强度所允许的线速度和最大外缘尺寸，经计算确定的。4、联轴器的传动精度 对于精密传动和伺服传动，要求联轴器所连两轴在任何情况下均应同步转动，应选用刚性联轴器或金属膜片联轴器，大多数挠性联轴器的传动精度均低于刚性联轴器。5、机器的启动情况 对于带重负载启动的机器，例如大型风机、球磨机、刮板运输机、油田采油机等，可选用能将动力机重载启动转变为近似空载启动的软启动安全联轴器，可以降低启动电流，又可以减小所配电动机的容量，避免完成启动后动力机的欠载情况，提高动力机的运转效率，实现工作机软启动和过载安全保护的作用 。6、联轴器的外廓尺寸、安装和维护 联

39、轴器的外廓尺寸必须容纳在机组允许的安装和拆卸空间内。在满足使用要求的条件下，应选择制造工艺性好、装拆方便、调整容易、维护简单、更换易磨损件不需要移动所连两轴的联轴器。大型机组因难于调整所连两轴的对中精度，应选用使用寿命长、更换易损件方便的挠性联轴器。7、工作环境 选择联轴器及其保护措施时必须考虑其工作环境，如温度、湿度、水、蒸汽、粉尘、酸碱、油、腐蚀介质和辐射等。在高低温、酸碱和腐蚀介质的环境中，应选用金属弹性元件或者以尼龙、聚氨酯为弹性元件材料的挠性联轴器，而不宜选用易普通橡胶为弹性元件材料的挠性联轴器，这是因为前者的耐腐蚀性、耐高温、耐磨性和强度等均高于橡胶，但弹性和阻尼性能不及橡胶。8、

40、经济性联轴器的品种、形式、规格和材料、制工艺、精度和平衡等级的不同，其成本价格往往相差甚远。结构简单、制造工艺好、非金属弹性元件、普通材料和一般精度的联轴器的价格，低于结构复杂、工艺要求高、金属弹性元件、特殊材料和高精度的联轴器。因此，在满足工作要求的前提下，应选用价格适当、国产标准的联轴器。4.3安全联轴器的设计4.3.1安全联轴器的结构设计联轴器是各种机械传动中常用的部件，它们用来连接两个轴使之一同回转并传递转矩。用联轴器的两根轴只有在机器停车后用拆卸的方法才能把两轴分离。联轴器的种类很多，常用的联轴器大多已标准化。一般可依据机器的工作条件选定合适的类型，然后按照计算转矩、轴的转速和轴端直

41、径从设计手册中选出所需的型号和尺寸，必要时还应对其中某些零件进行验算。由于设计的需要，我们要设计一个安全联轴器，由内转套、外转套、法兰、螺栓、螺柱、弹簧丝、钢球和弹簧构成。内转套和高速轴连接，外转套和电动机轴连接，法兰通过螺栓把内转套和外转套连接在一起，起到轴向固定的作用。内转套和外转套之间的扭矩传动是通过钢球来实现的，钢球的上面用弹簧压住，起到保护和缓冲的作用。这个的联轴器的特点就是在接合的部位嵌入弹簧装置，它的作用是在承受的转矩超出额定转矩的时候，能够保护联轴器一端零件不受破坏，弹簧装置均匀分布，并且用弹簧丝勒紧螺钉，防止螺纹松脱损坏内部零件的同时也起到紧固的作用。整个联轴器结构简单，制造

42、容易。（下图是联轴器示意图）4.3.2安全联轴器中弹簧的设计弹簧主要承受动载荷，其破坏形式主要是疲劳破坏。因此，弹簧材料必须具有较高的抗拉强度和耐疲劳能力、较好弹性、足够的冲击韧性及良好的塑性；经热处理后应具有良好的稳定弹性、淬透性好、过热敏感性低、和不易脱碳，同时价格要低，易于购买。常用的弹簧材料有碳素弹簧钢、合金钢、铜合金、橡胶和塑料等。选用弹簧材料时，应考虑弹簧的功能、重要程度、工作条件（包括载荷条件、大小及循环特性、工作持续时间、工作温度和周围介质情况等）以及加工、热处理条件等。同时还可以参考现有设备中使用的弹簧，进行类比分析，从而选出合适的材料。在综合情况分析选用合金弹簧钢丝，型号是

43、65Si2MnWA,材料特性是耐高温、高强度、高淬透性、弹性好，常用于耐热、耐冲击和高应力的弹簧前面已经求出总转矩，在传动过程中存在机械能损耗，所以。经过齿轮降速后的转矩因为联轴器上有2个弹簧均布排列所以每个弹簧处的转矩是 下图是弹簧前端钢球的受力示意图，力矩产生力F，沿水平方向，回转半径r=30mm,力F1是弹簧产生反力的一个水平分力，大小与力F相等，则 弹簧指数 ，是弹簧主要参数之一，它影响弹簧的刚度、强度、稳定性及制造的难意。设计中，一般推荐,常用的初选范围为，选择时可参考下表弹簧直径0.20.40.4511.12.22.567161842C=D/d7145125104104846初选C=9，则