聯(lián)軸器膜片的承受載荷作用和運(yùn)行過(guò)程

發(fā)布時(shí)間：2023-01-12

<一>、聯(lián)軸器膜片的承受載荷作用

膜片組是聯(lián)軸器膜片的主要彈性元件。膜片組在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受拉伸、擠壓、剪切等復(fù)合力，處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，并由此來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)，同時(shí)吸收振動(dòng)和補(bǔ)償偏差。

由于聯(lián)軸器中其他零件的剛度比膜片大得多，且膜片受力情況較為復(fù)雜，故這里只研討膜片的應(yīng)力分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮各膜片間微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的表面剪力，即將所有膜片視為一個(gè)整體。膜片承受的載荷有以下幾種：

一、膜片組的強(qiáng)迫位移

雖然聯(lián)軸器膜片工作時(shí)，膜片組件傳遞的扭矩很大，但是實(shí)踐證明：聯(lián)軸器膜片的主要失效不是由膜片組件的傳扭能力不足引起，而是膜片所受交變循環(huán)復(fù)合應(yīng)力所致。而這種復(fù)合應(yīng)力多是由聯(lián)軸器膜片所聯(lián)接的兩軸不對(duì)中產(chǎn)生的附加載荷引起的。

二、聯(lián)軸器膜片的軸向偏移

聯(lián)軸器膜片的軸向偏移K，受聯(lián)軸器的規(guī)格以及螺栓數(shù)量影響，聯(lián)軸器規(guī)格越大，所能承受的軸向偏移越大。軸向偏移會(huì)對(duì)膜片產(chǎn)生很大的應(yīng)力，因此，為確定聯(lián)軸器使用壽命的長(zhǎng)期，要求安裝時(shí)膜片之間盡可能緊密，膜片盡可能平整。同時(shí)，由于熱脹冷縮而導(dǎo)致的設(shè)備軸向偏差需要考慮進(jìn)去。對(duì)于雙膜片式聯(lián)軸器，聯(lián)軸器軸向偏移經(jīng)過(guò)中間體兩邊的膜片組平均后，膜片組的軸向偏移為聯(lián)軸器膜片軸向偏移的一半。

三、聯(lián)軸器膜片的角向偏移

軸線角向的安裝誤差，使膜片沿軸線方向發(fā)生周期性彎曲變形，它是決定膜片疲勞壽命的主要因素。聯(lián)軸器膜片角向偏移，大的角向偏移將使膜片組承受很大的附加彎矩。對(duì)于雙膜片式聯(lián)軸器，膜片組的角向偏移是聯(lián)軸器的角向偏移的一半。

四、膜片承受的轉(zhuǎn)矩

聯(lián)軸器膜片傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)矩是通過(guò)主動(dòng)螺栓利用膜片元件帶動(dòng)從動(dòng)螺栓，轉(zhuǎn)矩在膜片中產(chǎn)生的沿螺栓分布圓切線方向的拉壓力。扭矩使膜片產(chǎn)生的拉伸或壓縮應(yīng)力隨工況而變化，但運(yùn)行工況一些時(shí)，可看作不變應(yīng)力。

五、膜片承受的離心應(yīng)力

聯(lián)軸器膜片通常是安裝在傳動(dòng)軸上，高轉(zhuǎn)速機(jī)械的離心慣性力在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算中重要。由螺栓、墊圈等的質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力和由膜片組自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力方向均沿徑向向外，使膜片組受到離心拉應(yīng)力。膜片承受的離心應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速而有大變化，但運(yùn)行工況一些時(shí)，也可看作不變應(yīng)力。

<二>、聯(lián)軸器膜片運(yùn)行過(guò)程

膜片在運(yùn)行過(guò)程中受到的是拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，以及在三向位移補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和高周循環(huán)疲勞應(yīng)力。為了適應(yīng)各種工況條件，理想的膜片材料應(yīng)具有：高抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；高不易腐蝕和抗微動(dòng)磨損能力。

通過(guò)在各種載荷情況下對(duì)膜片進(jìn)行靜強(qiáng)度分析計(jì)算，可以判斷所設(shè)計(jì)的膜片能否承受限度的載荷。從膜片的靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，膜片的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)給定材料的屈服強(qiáng)度，但是在膜片所受的載荷中，拉力和角位移都是變化的載荷。結(jié)構(gòu)或材料在受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度限，甚至比彈性限度還低的情況下就可能發(fā)生破壞，疲勞破壞已經(jīng)成為引起結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。因此，單單分析各種載荷情況下的靜強(qiáng)度并不能確定一種設(shè)計(jì)方案是否正確，疲勞問(wèn)題也是進(jìn)行膜片設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的。利用有限元方法并借助于有限元分析計(jì)算軟件對(duì)膜片進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出各種載荷情況下膜片的應(yīng)力、應(yīng)變及位移狀況。并且在靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，再對(duì)聯(lián)軸器膜片進(jìn)行疲勞分析，看它能不能達(dá)到風(fēng)電機(jī)組20年的壽命要求。

對(duì)膜片進(jìn)行受力分析，膜片受到的載荷有：①扭距在膜片中產(chǎn)生的拉壓力，②由軸線偏斜而引起的彎矩，③螺栓與膜片質(zhì)量離心力，④膜片軸向位移引起的彈性推力，⑤螺栓預(yù)緊力。扭矩T使膜片產(chǎn)生的拉伸或壓縮壓力和質(zhì)量離心力應(yīng)力都隨轉(zhuǎn)速而變化。安裝運(yùn)行工況一些時(shí)，①、②、④、⑤均屬于不變應(yīng)力。彎矩M使膜片產(chǎn)生彈性推力，且在軸每轉(zhuǎn)一圈時(shí)應(yīng)力循環(huán)變換一次。聯(lián)軸器膜片的主要失效不是由于膜片組件傳扭能力不足，而是膜片和螺栓在交變循環(huán)復(fù)合應(yīng)力作用下的疲勞所致。因此本章先計(jì)算膜片的強(qiáng)度，膜片的疲勞計(jì)算在下一章進(jìn)行。

膜片承受的轉(zhuǎn)矩主要靠主、從螺栓間膜片的拉壓受力傳遞。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作以下基本假設(shè)：

一、假定每個(gè)主動(dòng)螺栓所受的力相等，該力沿驅(qū)動(dòng)方向；

二、在運(yùn)行過(guò)程中，膜片端部保持平行。

三、僅考慮傳遞扭矩引起的應(yīng)力。

四、不計(jì)各膜片間微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的表面剪力，即將所有膜片視為一整體。