（机械工程专业论文）高速膜片联轴器结构优化及实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h l 3 学科分类号 4 6 0 2 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 6 l密级不保密 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名蔡春字 学号2 0 0 6 0 3 0 0 6 1 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 2 课题来源 企业项目 研究方向传动机械 论文题目高速膜片联轴器结构优化及实验研究 关键词膜片联轴器，振动，有限元分移：，优化设计 论文答辩日期 2 0 1 0 l 1 2 7 论文类型开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师l 李方俊 副教授 北京化工大学 流体机械 丹东克隆集团 指导教师2郭文高高工液压传动 有限责任公司 评阅人l张连凯 副教授北京化工大学矿山机械 评阅人2 侯俊达高工华电抗磨有限公司机电工程 评阅人3 评阅人4 答辩委员会主席 王奎升教授北京化工大学 流体机械 答辩委员l张秋翔高工北京化工大学 流体密封 中国石化集团北京 答辩委员2李国昌高工燕山石油化工有限化工机械 公司 答辩委员3张东胜副教授北京化工大学流体机械 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r 1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 55洲6 吣7嘶78川iiy 摘要 高速膜片联轴器结构优化及实验研究 摘要 高速旋转机械间的动力联接问题是机械稳定运行的关键。高速膜片式 联轴器是一种通过极薄的一组或几组不锈钢片作为挠性元件来传递扭矩的 挠性联轴器。由于它使用方便，补偿能力强，得到了广泛的应用。目前大 部分的旋转机械动力联接都使用了膜片联轴器。 在高转速旋转装置中联轴器的中间节在柔性联接下高速旋转，因此使 联轴器的振动成为整个转子系统的主振源，从而对联轴器的动力学分析和 强度分析就显得尤为重要。引起联轴器振动的主要原因有两个，动不平衡 和联轴器装配不对中，两者是同时存在并共同作用的。联轴器的关键部件 金属膜片承担着传递扭矩和吸收不对中的重任，膜片常常是由于交变应力 作用而疲劳断裂。 本文对膜片及附件作了分析研究，分析了膜片及附件在各种载荷作用 下的应力，并用软件模拟实验验证了上述结论。为了提高联轴器膜片的寿 命，对膜片及附件结构作了针对性的优化，降低了膜片应力集中，提高了 寿命。有限元分析法结果表明：在同样载荷水平下，优化后的膜片的工作 应力明显小于普通膜片，同时找出了易发生断裂的危险区域，为设计工作 提供了方向；为了降低联轴器的振动，在联轴器中增加阻尼装置，增加了 联轴器的缓冲性能。现场实验结果证明：这种联轴器的振动明显小于普通 联轴器，此种高速膜片联轴器的创新设计为今后的联轴器设计提供了新结 构。 关键词：膜片联轴器，振动，有限元分析，优化设计 北京化工大学工程硕：卜学位论文 t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h e h i g hs p e e d m e m b r a n ef l e x i b l ec o u p l i n g a b s t r a c t t h ec o n n e c t i o no fh i g h _ s p e e dr o t o rm a c h i n ei sv e 巧i l p o r t a n tt o 也e m a c h i n ew o r k m e m b r a n ec o u p l i n gi sal ( i n do fd e v i c ew h i c hi sm a d eo fo n eo r s e 、r e r a ls e t so fs t a i n l e s ss t e e lm e m b 啪et ot 舢sf o rt o r q u e a c c o r d i n gt oi t s g o o da b i l i t yo fc o m p e n s a t i n gd i s p l a c e m e n t ，i ti su s e dg e n e r a l l y t h er o t a t i n gs p e e do ft h ec o u p l i n gs h a ri sm u c hh i 曲e r 也a nt h ef a n s t h e v i b r a t i o no ft h es h a ri st h em a i nv i b m t i o n s0 c c u ro fs y s t e m ，a n di t sv e 巧 i i n p o r t a n tt od od y n a m i ca n a l y s i so nt h ec o u p l i n g t h e r ea r e 觚om a i nf a c t o r s t h a tc a u s ev i b r a t i o no ft h es h a r ：o n ei st h ed v n a m i cu n b a l a n c ea n dt h eo t h e ri s d i s p l a c 啪e n t i nm o s tc a s e sm e ye x i s tt o g e t h e ra n di n t e m c t i v e t h em e t a l m e m b r a n ew h i c hi st h ec r i t i c a lc o m p o n e n tf o rf l e x i b l ec o u p l i n gt a k e sm e r e s p o n s i b i l i t yo ft o r q u ed e l i v e 搿a n dm i s a l i g n m e n ta b s o r p t i o n t h em e m b r a n e a l w a y sh a sf a t ig u ef r a c t u r ed u et oa l t e m a t i n gs t r e s s t h isp a p e rm a k e st h er e s e a r c ho nm e m b r a n ea n di t sc o m p o n e n t s t h e r e s e a r c hi sc o n c e m e do nt h es t r e s so fm e m b r a n ea n di t sc o m p o n e n t su n d e ra l l l o a d s a n dt h er e s u l ti st e s t e db vt h es o r w a r es i m u l a t i o n t h em e m b r a n ea n d i t sc o m p o n e n t sa u r ed o n et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt oi m p r o v et h em e m b r a n e s e r v i c el i 诧，w h i c hr e d u c e st h em e m b r a n e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o na n di m p r o v e s t h el i f e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o w st h ew o r k i n gs t r e s so fo p t i m i z e d m e m b r a n ei s1 0 w e rt h a no fn o m a lm e m b r a n e ；a n df i n do u tt h ed a n g e r o u sa r e a w h i c he a s i l yb r e a k ：t h i sh e l p st of i n dt h ed i r e c t i o nf o rd e s i g n t or e d u c et h e v i b r a t i o no ff l e x i b l ec o u p l i n g ，d a m p i n gd e v i c ei sp r o v i d e di nf l e x i b l ec o u p li n g w h i c hi n c r e a s e st h ec u s h i o np e r f o n n a n c eo ff l e x i b l ec o u p l i n g t e s to ns i t e p r o v e st h ev i b r a t i o nt h i sk i n do fn e x i b l ec o u p l i n go c c u r si so b v i o u s l yl e s st h a n t h a to fn o n n a ln e x i b l ec o u p l i n g t h ei n n o v a t i v ed e s i g no ft h i sh i g hs p e e d m e m b r a n en e x j b l ec o u p li n gp r o v i d e sn e ws t r u c t u r ef o rt h eo n e si n 如t u r e k e yw o r d s ：m e m b r a n ec o u p l i n g ，v i b r a t i o n ， a n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i n g 北京化工大学工程硕。卜学位论文 目录 目录 第一章绪论l 1 1 高速膜片联轴器的发展1 1 2 国外高速膜片联轴器现状4 1 3 国内高速膜片联轴器现状5 1 4 当前高速膜片联轴器需要解决的主要问题8 1 5 小结1 0 第二章高速膜片联轴器结构研究1 l 2 1 高速膜片联轴器总体结构特点l l 2 2 膜片力学特征1 4 2 3 联接附件力学结构特征1 8 2 4 高速膜片联轴器综合力学特征1 8 2 5 小结2 0 第三章膜片及附件结构优化研究2 1 3 1 膜片结构力学模型建立2 l 3 2 膜片模拟加载及结构优化2 7 3 3 附件结构力学分析3 0 3 4 附件模拟加载及结构优化3 1 3 5 小结3 4 第四章高速膜片联轴器动力学特性研究3 5 4 1 高速膜片联轴器横向刚度3 5 4 2 高速膜片联轴器临界转速分析3 6 4 3 高速膜片联轴器失效分析3 8 4 4 高速膜片联轴器极限承载能力分析4 l 4 5 小结4 3 v 北京化- t 大学工程硕士学位论文 第五章高速膜片联轴器实验研究4 5 5 1 高速膜片联轴器台架实验4 5 5 2 高速膜片联轴器实验结果分析及改进4 6 5 3 高速膜片联轴器现场实验4 9 5 4 小结5 0 第六章高速膜片联轴器结构优化技术及经济指标分析5 1 6 1 高速膜片联轴器结构优化技术指标分析5 1 6 2 高速膜片联轴器结构优化经济指标分析5 3 第七章总结5 5 参考文献5 7 致谢6 l v i 日录 c 0 n t e n t c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n l 1 1d e v e l o p m e n to fh i 曲s p e e df l 拍l em 踟l b r 锄ec o u p l i n g l 1 2s t 咖so f o v e r s e a sh i 曲s p e e df l c x i b l em 锄b m ec o u p l i n g 4 1 3s t a m s o f d o m e s t i ch i 出s p e e df l e x i b l em e m b 啪ec o u p l i n g 5 1 4p r i m a ui s s u e so fc l 盯e n th i g hs p e e df l e x i b l em 锄b 啪ec o u p l i n g 8 1 5b r i e fs u 】n m a 巧l o c h a p t e rt w o s t r u c t u r eo fh i g hs p e e df l e x i b i em e m b r a n e c o u p u n g ll 2 1 r e x t u r ef e 栅o f h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b r a n ec o u p l i n g l 1 2 2m e m b r a i l em e c h a n i c a lf e a t l 】r e s 1 4 2 3m e c h a n i c a l 鼬呲t u r ef e 她o f c o i l n e c t i o nc o m p o n e i l t s l8 2 4s y n t h e t i cm e c h a n i c a lf e a 时e so f h i 曲s p e e df 1 e x i b l em e i l l b r a i l ec 伽【p l i n l8 2 5b r i e f s u m m a w 2 0 c h a p t e rt h r e er e s e a r c hf o rm e m b r a n e & c o m p o n e n t ss t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n 2 l 3 1m 啪b r a n es 仇l c m r em e c h a n i c a lm o d e lb u i l d 2 l 3 2m e m b r a n e a n a l o gl o a d i n g & s t r u c m r eo p t i m i z a t i o n 2 7 3 3c o m p o n e n t ss t r u c t l l r em e c h a n i c a la n a l y s i s 3 0 3 4c o m p o n e n t sa n a l o gl o a d i n g & s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 3l 3 5b r i e f s u m m a 呵3 4 c h a p t e rf o u rh i g hs p e e df l e x i b l e 1 e m b r a n ec o u p l i n gd y n a m i c f e a l u r er e s e a r c h 3 5 4 1h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b r a n ec o u p l i n gc r o s s w i s es t i f f n e s sa n a l y s i s 3 5 4 2h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b r a j l ec o u p l i n gc r i t i c a ls p e e da n a l y s i s 36 4 3h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b 啪e c o u p l i n gf a i l u r e a n a l y s i s 3 8 4 4h i 曲s p e e df l e x i b l em e m b r a n ec o u p l i n gl i m i tl o a da b i l i t ya n a l y s i s 4l 4 5b e f s u m m 引y 4 3 v i i 北京化工大学工程硕士学位论文 c h a p t e rf “eh i g hs p e e d f l e x i b l em e m b r a n ec o u p l i n g1 r e s tr e s e a r c h 4 5 5 1h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b r a n ec o u p l i n g gs t 锄dt e s t 4 5 5 2h i 曲s p e e df l e x i b l em e i 】曲r a n ec o u p l i n gt e s tr e s u l ta n a l y s i s & i m p r o v e m e n t 4 6 5 3h i 曲s p e e df 1 e x i b l em e i r l b r 觚ec 0 u p l i n g 嘲0 ns i t e 4 9 5 4b r i e fs l l i l l m a 巧5 0 c h a p t e rs i xh i g hs p e e df l e x i b l em e m b r a n ec o u p l i n gs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n1 c h n o l o g y & e c o n o m i c1 a r g e ta n a i y s i s 5 l 6 1h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b 姗ec o u p l i n gs 饥l 咖r eo p t i m i z a t i o nt e c h i l o l o g yt a r g e t a n a l y s i s 5 1 6 2h i 曲s p e e df l e x i b l em 锄b r 孤ec o u p l i i l gs 缸u 咖r eo p t i m i z a t i o ne c o n o m i c1 砷耐 a n a l y s i s 5 3 c h a p t e rs e v e ns u m m a r y 5 5 b i b k o g r a p h y 5 7 t h a n k s 6 l v l l i 符号说明 符号说明 扭矩，n m 螺栓数，个 转速，r p m 螺栓分布半径，m 扭矩作用下每段受拉膜片的应力，m p a 膜片最细处宽度，m m 膜片片厚，m m 膜片材料的密度，k 。m 。 联轴器角速度，r a d s - 1 微元中心与旋转轴心之距，m 夹角，。 膜片在离心载荷作用下的应力，m p a 膜片在轴向载荷作用下的应力，m p a 膜片在角向载荷作用下的应力，m p a 长度，m m 惯矩，m m 4 截面面积，m 2 剪应力，m p a 弹性模量，g p a 剪切弹性模量，g p a 抗弯截面模量，m m 3 抗扭截面模量，m m 3 螺栓直径，m m 中汹j 节内径，m m 中间节外径，m m 联轴器刚度，n m _ 联轴器中间节质量，k g 频率，h z 机组j 下常工作范围内可能出现的最大扭矩，n m 机组额定扭矩，n m 驱动机功率，k w l x t n r q 6 h p r 仅 睨 m l a t e g w w d d k m l n p 北京化工大学工程硕士学位论文 x 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒化 1 1 高速膜片联轴器的发展 联轴器按照补偿不对中能力可以分为刚性联轴器和弹性联轴器，其中膜片 式联轴器是一种通过一组或几组极薄弹性不锈钢片来传递扭矩，属于弹性联轴 器类型。膜片联轴节驱动轴与从动轴之间相对位移由膜片的挠性吸收，通常膜 图1 1 膜片联轴器结构示意幽 f 睫l lc 0 u p i i n gs t r u c t i l r cd i a 鲫n 片联轴器的结构形式如图1 1 所示。 膜片联轴节主要由膜片组、螺栓及法兰盘等零部件组成，其组装联接结方 式如图1 2 所示。 图l 一2 膜片联轴器分解示意幽 f i gl 2c o u p l i n gd i s a s s 锄b l ed i a g r a m 装备制造业生产水平的不断提高，促进了大功率、高精度等机械设备的蓬 勃发展，纷杂繁多机械设备对动力传动联轴器也提出了新的综合要求。 北京化t 大学工程硕：l 学位论文 如除了要求能传递转矩外，还要求具有补偿两轴相对偏移、减振、缓冲、 提高传动效率、提高传动精度等。针对不同的机械设备提出的不同要求，各国 科技人员不断研制出各具特点的新型挠性联轴器。据不完全统计，就叠层膜片 挠性联轴器( 简称膜片联轴器) 而言，现已有m 、t 系列9 个型号，1 1 3 种系列化 产品，而且还在不断地推陈出新，以满足不同机械设备传动系统的需要。 随着国民经济的迅速发展，新产品的开发和老设备的技术改造工作日益增 多，各行各业都迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的机械产品。而 好的机械产品又起步于好的设计方案。 近几十年来，世界各国科学技术的迅猛发展，机械设计学科也不例外，特 别是电子计算机的应用，机械设计领域内的新原理、新方法、新技术与新结构 不断涌现，大大提高了设计水平和效率，改变了因结构复杂、使用条件要求高、 设计难度大而不能设计，或者设计质量低、周期长的状况。许多大型、高精密 度、高参数的高质量机械产品竞相涌现。如图1 3 为新式测速联轴器。 图1 3 新型测速联轴器 f i gl - 3n e wv e l o c i t ym e a s u r e m e n tc o u p l i n gd i a 笋a m 近些年有限元等三维软件技术的发展，给机械产品的丌发和应用赋予了更 光明的前景。本文使用s o l i d w o r k 进行建模，应用d e s i 印s p a c e 有限元分析软 件作为应力分析辅助软件，d e s i 朗s p a c e 是a n s y s 公司发布的s o l i de d g e 无缝 连接的产品仿真软件。使用d e s i 印s p a c e ，就能在设计初期，对产品进行仿真 测试，减少了样机试制与测试的麻烦及相关的费用支出。d e s i 印s p a c e 容易使 2 第一章绪论 用且功能强大，它提供了一个独特的虚拟实验环境，对产品在线性载荷、热、 模态、疲劳和形状优化作用下的性能进行仿真。被广泛应用在机械工程设计的 各个领域。 图1 - 4 ，l 一5 ，1 6 展示了这些软件在联轴器上的应用。 图l - 4 运用s o l i d w o r k 建模联轴器 f i gl - 4m o d e l i l l gc o u p l i n gb ys o l i d w o r k h l h t “钾。曲 瑟警 j j j 。“”鼍； 舞”妒蠛鞲 ：辑”：一： v - 二女h r 钿” 嚣撕一参：二 二和：0 7 乞， 警： 曩墨 ? 一 图l - 5 运用s o l i d w o r k 对联轴器部件进行受力分析 f i gl sc o u p l i n gf - 0 r c ea n a l y s i si ns o l i d w o 出 3 北京化工大学工程硕：卜学位论文 图l 石运用d e s i 弘s p a c e 对联轴器部件进行应力分析 f i gl - 6c 0 u p l i n gs 嗽s 孤a l y s i si nd e s i 鲈s p a c e 1 2 国外高速膜片联轴器现状 世界上专门生产膜片联轴器的是英国的弗莱克斯博克斯有限公司，该公司 于1 9 4 5 年组成，目前该公司专门设计和制造弗莱克斯博克斯机械密封和米塔斯 特林姆功率传递联轴器。二十多年来，该公司生产的米塔斯特林姆功率传递联 轴器在功率传递的各个领域内获得了成功，今天陔公司生产的各类功率传递联 轴器已经实现了标准化、系列化。 在船用方面，为了鉴定米塔斯特林姆功率传递联轴器是否适用于船用主涡 轮推进装置，1 9 6 5 年帕米屈拉迭实验站对_ 种完全标准的工业用米塔斯特林姆 功率传递联轴器进行了一系列的实验。 这些初步实验所取得的数据虽然使设计有一些小的改动，但是仍证明此类 联轴器基本上是适用于主涡轮传动的。 其后，帕米屈拉达实验站又在3 0 ，0 0 0 轴马力的y e a d i 装置上对联轴器进 行了进一步的实验，a e i 有限公司在海军资助的蒸汽、燃汽轮机实验台上对此 类联轴器进行了实验，根据这些进一步实验的结果数据，得出了一种单组扭矩 管型联轴器的设计规范，该规范用于当时j 下在设计的c o s a g 联合动力装置中。 4 第一章绪论 英国皇家海军的“部落”级通用护卫舰、“洲际”导弹驱逐舰都成功的使用 了这种联轴器。 联轴器在舰上的应用经验证明：它在调整运行过程中通常发生的不对中是 十分令人满意的，并能在很大的不对中情况下工作相当长的时间。 当将要把推进比更大的航空燃汽轮机用于大型海军舰船时，使得发动机功 率增大，涡轮前燃气初温和传动装置负荷都有提高，并再一次强调传动挠性的 重要性【。 除了研究联轴其本身的特征外，人们对可选择的结构材料也进行了相当深 入的研究，最后决定除膜片和紧固螺栓外，使用高强度轻合金取代钢部件。 1 9 6 5 年在罗尔斯罗伊斯公司安斯提分部的“奥林普斯”整机实验台上安装 了此类联轴器，进行了全负荷和不对中实验。 轻合金元件使其重量有相当的减少，由于实验结果令人满意，1 9 6 8 年在全 燃气涡轮推进舰艾克斯茅斯号上安装了此类联轴器。 上世纪六十年代中期，膜片联轴器的研制工作受到叠盘联轴器冲击，再加 上在“太因”发动机输出传动出现了一些新问题，使得作为原始的m 系列( 具 有轮幅形式的膜片) 得以改进，研制出一种新型的全金属联轴器，通常称为t 系列( 具有束腰形式膜片) ，现已经成功地应用在4 2 型舰用“太因”发动机的 输出端上。 弗莱克斯博克斯有限公司从1 9 6 6 年开始制造大功率联轴器，向产品的多样 化迈进了一步，1 9 7 3 年提供第一台大功率联轴器，随后有数十个大功率联轴器 投入了运行b j 。 1 3 国内高速膜片联轴器现状 我国对膜片联轴器的研究起步较晚，1 9 7 7 年高速大功率挠性联轴器国际会 议召丌，我国7 0 3 所才开始重视膜片联轴器的研究。1 9 8 0 年我国成立膜片联轴 器课题组，在低速状态下对膜片及整个联轴器组件进行了一系列的实验。同时 中困航空工业第一集团第6 1 4 研究所和上海交通大学也开展了研究工作，3 7 0 厂对膜片联轴器做了实测。 经过近二十多年的研究，6 1 4 所和7 0 3 所均已生产各种类型的膜片联轴器， 并成功地应用于各类联接装置中，但由于制造水平的落后，联轴器的质量与国 外同类产品有较大的差距。 目前国内对于膜片联轴器的研究还十分有限，淮海工业学院的申屠留芳计 5 北京化工大学工程硕士学位论文 算了膜片联轴器在转矩和离心力载荷分别单独作用下膜片上的应力分布，并且 分析比较了它们的变化对膜片上应力大小的影响及其影响程度。计算结果表明： 转矩增加时各点上的应力值皆增加，但其数值变化不大，即转矩变化对膜片上 应力大小影响不大，转矩载荷在膜片中产生的应力值与膜片层数成反比，因此 可根据转矩的大小来估算膜片层数m 。计算结果还表明，转速变化是影响膜片 上应力大小的主要因素【3 】。 对于离心力载荷，关键是要处理好约束条件，这主要视螺栓及其联接部件 的质心位置、质量大小和刚度强弱而定。刚性越大，螺栓的变形越小。对膜片 螺孔内半圆周的约束增加，应力下降；反之，对膜片螺孔外半圆周的约束增强 时，应力值增大。 因此，使用转速越高，就应将螺栓及其联接部件的刚度设计得越大。再则 尽量将螺栓联接件的总质心落在膜片组件中间膜片与螺栓轴线交点附近，在设 计时必须对膜片的应力进行分析计算，以确保使用安全。其计算结果对膜片联 轴器膜片组的设计具有参考作用。 同时还对膜片联轴器的振动特性做了研究，研究结果表明：膜片联轴器轴 向固有频率较低，因而运行中产生轴向共振的可能性较小。联轴器存在不平衡 时，系统固有频率降低，且不平衡量越大，固有频率越低。因此，要提高联轴 器的转速，必须提高联轴器的动不平衡精度【4 】。为了提高联轴器平衡精度，通 常如图1 7 所示通过动平衡机对联轴器的质量偏心进行校正，以降低其偏心质 量，提高联轴器平衡精度。 图1 7 联轴器动平衡实验 f 追l - 7c 0 u p l i n gd y i l a m i cb a l a i l c ee x p e r i m t 6 第一章绪论 我国传动联接件的发展大致经历了三个阶段： 第一阶段( 2 0 世纪5 0 6 0 年代) ：这阶段，我国的传动联接件的生产以自 结自足为特征，主要是生产制造一些国产机械的配套产品。 第二阶段( 2 0 世纪7 0 8 0 年代) ：这阶段，我国传动联接件的发展以向国 外学习，消化吸收国外的先进技术为主要特点。 我国在改革开放的形势下，引进了大量的机械设备，其中也包含具有专利 技术的机械设备。值得一提的是1 9 8 0 年重庆永进重型机械设备有限公司，分别 引进德国罗曼公司硬齿面齿轮传动装置设计与制造技术，奥地利盖斯林格公司 联轴器、减震器设计与制造技术，并装备了世界进的齿轮加工和检测设备，对 我国传动联接件的发展起到了关键性的推动作用。 我国科技人员开始对进口设备( 主要是船舶机械) 中的大功率弹性联轴器和 弹性离合器进行消化吸收，并研制和仿造一些高性能的传动联接件。 第三阶段( 2 0 世纪9 0 年代以后) ：这阶段，我国传动联接件的研制步入了 健康发展的轨道。原机械工业部标准研究所开展了一系列传动联接件的标准化 工作，制定了大量的基础标准和产品标准，这为我国传动联接件的发展打下了 坚实的基础。但是，到目前为止，国内专业传动联接件的生产厂家并不多，一 些大型冶金设备、重型设备、造船厂已经形成工段式的生产车间，生产单一产 品小规模的民营企业也诈在r 益增多。如图l 一8 ，1 9 为国内联轴器专业生产厂 的生产线。 图1 1 8 联轴器膜片生产线 f i gl - 8c o u p l i n gd i 印h m g mp r o d u c t i o ni i n e 北京化工大学工程硕士学位论文 图l - 9 联轴器半轴节生产线 f i gl - 9c 0 u p l i n gh l l bp r c 舭矗o n l i i 圮 1 4 当前高速膜片联轴器需要解决的主要问题 膜片联轴器损坏是旋转机械最为常见的故障之一，旋转机械故障中6 0 的 故障与轴不对中有关。转子系统出现不对中后，在其运动过程中将产生一系列 的不利于设备运行的动态效应。如：引起设备的振动、联轴器的偏转、轴承的 磨损、轴的挠曲变形等【5 1 。 引起联轴器损坏的主要原因有两个，动不平衡和装配不对中。这两种因素 通常是同时存在并且共同作用的，为了降低振动和膜片联轴器的疲劳损坏，本 文对引起的膜片交变应力和联轴器振动机理做了理论分析与实验研究，提出了 一种新的集成阻尼式低应力联轴器结构，并用实验研究的结果验证了结构的可 行性和合理性，为减小振动提高膜片寿命提出了指导性的措施。 本论文的研究工作主要有以下几个部分组成： 1 ) 由于装配不对中及运行时的振动引起的轴向，角向偏差对联轴器的寿 命有着很大的影响，因此本论文对膜片及附件在各种载荷作用下的应力将进行 详细的分析，并对膜片及附件结构进行了优化，有效的降低了膜片的工作应力。 2 ) 高速旋转时联轴器用机组会产生很大的振动，这对联轴器的稳定运行 8 第一章绪论 是一个很大的威胁，本论文对联轴器的结构进行了特殊设计，在联轴器中增加 了阻尼装置，大降低了联轴器运行时的振动。 3 ) 联轴器的螺栓是联轴器中联接膜片和法兰盘的关键部件，是联轴器的 易损件，它的正确安装是保证联轴器使用性能的关键，本论文通过实验对比分 析了螺栓的正确安装方式，为一线的维修提供了正确的指导。 4 ) 为了方便联轴器的安装使用以及出厂质量的保证，本论文设计了一种 集成式的结构，简化了联轴器的安装程序，有效的保证了联轴器的出厂质量， 为联轴器的稳定运行提供了保障。 9 北京化工大学工程硕_ j ：学位论文 1 5 小结 随着工业机械设备的发展，高速旋转机械间的动力联接问题越来越受到行 业广泛的关注。通常通过联轴器实现驱动轴与从动轴之间的联接，而在实际使用 中，驱动轴与从动轴必然存在各种不对中，机械运转后，这些不对中将对机组 的动力传动和联接造成负面影响，因此对联轴器强度特性及动力学特性的分析 研究就显得尤为重要。 如果出现显著的动不平衡或者装配不对中，引起的振动将是非常大的，从 而使联轴器的振动成为系统的主振源。 驱动轴与被动轴之间的相对位移由膜片材料的挠性吸收，膜片联轴器之所 以受到广泛应用是由于它具有高度的可靠性、长寿命、无需润滑、无需维护、 无噪音、具有失效保护性、能保持不变的低不平衡量，能在较恶劣的环境下运 行，可以在不干扰主、从动机械的情况下拆装等一系列优点。 联轴器在中低转速机组上已成熟应用，效果良好，在高转速机械上的应用 还不成熟，因此本文对高转速联轴器进行理论分析、软件验证，并通过实验对 联轴器的性能进行定性研究，为高转速联轴器的设计提供借鉴。 i o 第二章膜片联轴器结构研究 第二章高速膜片联轴器结构研究 2 1 高速膜片联轴器总体结构特点 膜片联轴节被广泛应用于各个行业的不同传动场合，这是由其自身特点所 决定的，总体上集中在以下几个方面： 1 ) 安装维护方便 膜片联轴器易于拆装，联轴器的轴向具有非线性刚性特性，如图2 1 所示完 图2 1 膜片联轴器安装示意图 f i 9 2 一lc o u p l i n gi n s t a l l a t i o nd i a g r a m 全可以直接被压装进传递装置上需要安装的部位，且无需调整主动件和从动部件 的位置来容纳联轴器。 由于膜片联轴器各零部件之间联接没有空隙和相对运动，传动件之间也就 没有剧烈的相对摩擦，因此不需要冷却和润滑，无需为连轴装置提供复杂而昂贵 的润滑冷却系统，同时避免了运行维护问题。 2 ) 适应能力强 由于制造和安装过程难免存在误差，主从传动部件之间常见的不对中形式 如图2 2 所示主要有轴线央角误差、横向误差和轴向误差。 曲噼a 砂轴线夹角误差功轴线横向不对中砂轴向位置议差 图2 - 2 轴线不对中形式示意图 f i 9 2 2a x i s 、聊o n gf o 肿so fs c h e m a t i cd 豫诚n g 北京化工大学丁程硕：b 学位论文 由于膜片联轴器的膜片具有良好的挠性，可以适应各种被联接主从件之间的 轴线不对中条件。这个适应能力可以通过调整膜片联轴器膜片组数、膜片和中间 轴的结构形式来实现，因为弹性膜片具有很好的挠性，在补偿主从件之间不对中 时仅消耗很少的变形能量，不会对机轴造过大的负荷【6 】。 3 ) 防护性好 无论是轮辐型还是束腰型的膜片联轴器都设计有“保护环”结构，即使在整 组膜片没有完全失效的情况下，保护环也可以防止中间轴发生过大的径向位移。 采用轮辐型式膜片的辐条可以起到“安全销”作用，一旦发生故障，可切 断主从件之间传动起安全保护作用。 采用束腰型膜片可从分利用束腰部位弹性，在短时间内维持传动，对主动 部件实施制动，减缓或防止“飞车事故进一步发展。 4 ) 可维持长期动平衡状态 因不存在周向和径向间隙，所以不会发生剧烈摩擦磨损，也就可以长期维 持原有的动平衡状态。通过合理的设计和使用条件，在无需润滑轴旋转零部件情 况下，结构上的对称性可使得联轴器自身平衡，可使膜片所承受的总应力低于材 料“无限”寿命的疲劳强度，从而使联轴器具有很长的工作寿命。所以一般经过动 平衡的膜片联轴器，可以在整个的运行周期内保持动平衡状态【7 1 。 5 ) 适用范围广 出于结构上的特点，膜片联轴器能适应大多数工作环境，可运行在o 口以下 的低温，也在高于3 0 0 口以上环境下运行：当零部件采用俐蚀材料，就可以在腐 蚀性大气环境下运行；其结构基本不受环境大气压强影响，所以可在高原或真空 条件下运行，也可运行在高压密闭容器内；膜片弹性良好本身具有极佳的吸振隔 振效果，可承受各种振动和冲击。 6 ) 径向承载能力强 无中间轴的膜片联轴器就是一个人挠性轴，对于多支点支撑刚度比较大的 旋转轴，可利用无中间轴联轴器把其分解成数个双支撑串联系统，从而降低其整 体刚度，既可以降低对支撑点同轴性要求，以减少发生过定位约束条件，同时转 子刚度降低也可以使固有频率发生改变。 7 ) 轴向刚性非线性化 膜片联轴器典型轴向刚度曲线如图2 3 所示，轴向刚性在起始位置零偏转时 为零，随着偏斜量增大而呈非线性增加。 这种非线性弹性特性具有很明显的失谐减振阻尼效果，不容易导致逐渐增 强的共振，所以膜片联轴器发生大幅度轴向振动的可能性很小，这使得此类联轴 器可以适应于轴向串动比较大的传动场合，如像具有比较大间隙滑动止推轴承的 第二章膜片联轴器结构研究 内燃机等【引。 8 ) 附加力矩小 由于膜片联轴器的本身质量低，而且金属膜片具有很好的挠性，运转时联 l o o 7 5 回 复5 0 力 2 5 l | 7 一， o 2 5 5 0 1 51 0 0 位移 图粥轴向刚性示意图 f i 9 2 - 3t h ea x i a lr i 百d i 哆s c h 啪豁 轴器对被联接机组的附加载荷小，因此采用膜片联轴器后可以改善系统整体的支 承负荷。 由于机组位移是连续发生，具有时域特征，而且很难预测，在这方面与其 它类型挠性联轴器相比较，膜片连轴器对与其相连装置或元件所施加的作用力和 力矩应该是最低的【9 】o 9 ) 传动精度、效率高： 膜片联轴器零部件之间是无间隙联接，在工作时几乎没有任何摩擦和滑动 损失，在结构上具有比较大的周向刚度，使其在传动过程中所产生的滞后损失可 以忽略不计。且其因此传动精度和效率高，克服了其它形式挠性联轴器在高速大 功率场合下传递效率低的问题，表2 1 所示为各类型联轴器传递效率比较。 表2 1 联轴器传动效率 1 a b2 lc o u p l i n gt r a n s m i s s i o ne 衔c i e n c y 联轴器种类传动效率 弹性联轴器( 膜片联轴器) 0 9 9 o 9 9 5 齿式联轴器 o 9 9 梅花接轴 o 9 7 0 9 8 万向联轴器 0 9 5 - o 9 8 北京化t 大学t 程硕士学位论文 2 2 膜片力学特征 1 ) 膜片型式 目前膜片联轴器常用的几种膜片型式如图2 4 所示。 a ) 多螺栓孔轮辐型b ) 四螺栓孔方孔型 c ) 四螺栓孔圆片型 d ) 四螺栓孔收腰玳 e ) 六螺栓孔收腰型f ) 六照栓孔六边璎 潲 酉 血盈j i g ) 六螺栓孔搭接型 h ) 碟形膜片组合型 图2 - 4 常用几种膜片形式 f i 9 2 4s o m ec o m m o nd i a p h 豫g mf o 皿 图2 4 a 所示出为轮辐型膜片，转矩由膜片外缘输入，再由内缘输出。当然 1 4 第二章膜片联轴器结构研究 也可以由内缘输入，外缘输出。膜片