膜片式联轴器性能分析

膜片式联轴器性能分析殷国庆/上海交通大学船建学院动力装置及自动化研究所摘要：简介了膜片式联轴器的结构和工作原理。从应力和疲劳、扭转刚度、弯曲稳定性作了静态分析；从钢片的阻尼特性、轴系横振和扭矩冲击的隔离性能作了动态分析。讨论了高速性和高效传动特性。关键词：膜片式联轴器；结构；性能中图分类号：TH133.4文献标识码：BThePerformanceAnalysisofCouplingswithDiaphragmTypeAbstract:Thispaperhasintroducedthestructureandworkingprincipleofcouplingswithdiaphragmtype.Thestaticanalysisaremadefromthepointsofstressandfatigue,torsionalstiffnessandbendingstability,andthedynamicanalysisarealsomadefromthepointsofdampingcharacteristicsofsteel,shafttransversevibrationandthebarrierpropertiesoftorqueimpact.Andthetransmissioncharacteristicsofhigh-speedandhighefficiencyarediscussed.Keywords:couplingswithdiaphragmtype;structure;performance0引言绝大多数动力机械都必须可靠地解决功率的有效传递。在实际运行中，原动机和变速齿轮箱，原动机和工作机之间，常常由于现场条件而使轴线产生偏移，因此驱动轴系中各部件连接成了一个非常关键的问题，在大功率高速机组和原动机安装减振器的机组中，动力轴系的挠性连接技术尤为突出，迫切希望轴线在角度挠曲、轴向和径向位移方面具有良好的补偿。与此同时，动力传递更要求挠性联轴器还具有优越的动态性能，保证整套传动系统有较高的可靠性和有效的节能作用。膜片式联轴器(亦称GNL钢片挠性联轴器)是一种具有广泛应用前景的、新型的可取代齿式联轴器、橡胶式联轴器的传动装置。传动联轴器所联接的两轴，由于制造和安装误差、承载的变形、热膨胀压缩、延伸以及基座下沉等原因，轴线间会产生一定的轴向、角向、径向偏移。它将在轴、轴承和联轴器上引起附加载荷，使机组工作条件恶化。甚至会有损坏机组现象发生。钢片联轴器利用钢片的弹性变形来补偿轴线间的轴向、角向、径向相对位移，达到改善工作条件目的。本文除讨论GNL联轴器静特性方面的应力、疲劳、刚度特性外，还着重分析该类联轴器在工作过程中的动态特性，如阻尼、减振隔离、高速平稳和动态传递效率(节能)等特性。1钢片联轴器结构和工作原理GNL钢片挠性联轴器的结构主要由不锈钢金属薄片(钢片)、半联轴器、中间套、压紧元件、螺栓、防松螺母、限位垫圈等组成,见图1。１,8半联轴器2.限位垫圈3.挠性钢片4.中间套筒5.传动螺栓6.圆螺母7.止退垫圈图1GNL钢片挠性联轴器结构其工作原理：扭矩从主动端半联轴器输入，经沿圆周间隔布置的高强度螺栓将扭矩传输至前端挠性钢片组，再由挠性钢片组通过高强度螺栓传到中间套筒，并同样由另后端挠性钢片组、高强度螺栓及从动半联轴器输出。钢片组件是挠性联轴器的关键部件，它是由一定数量的薄片弹性不锈钢叠合组成，通过它来传递扭矩和消除来自多方位的偏移量。钢片厚度一般视扭矩的大小和工况的不同而选择，一般为0.35～1.20mm，其形状有圆环式、连杆式、束腰式等。2GNL钢片挠性联轴器的静态特性2.1应力和疲劳性能图2为联轴器金属片受载情况示意图，力学模型的4条杆件中，2条拉杆，2条压杆。在无轴向变位和角向偏转变位的正常稳定工作时，杆件承受纯拉压应力和旋转质量离心力，金属片承受合成平均应力。实际工作中，轴系都有一定串动，角向挠曲和径向移位。因此，杆件上再叠加有弯曲交变应力，其交变频率等于轴系旋转频率的2倍，交变的幅值取决于几个变动移位值的矢量和。因此金属杆件的应力-强度计算需根据平均应力与交变应力分量按所选材料的哥德曼图进行校核。根据计算机有限元计算模型和实验手段证明，挠性钢片的应力危险区出现在压杆的紧固件周围，在额定条件下工作时，其应力水准在交变疲劳极限和材料屈服极限的1/2以下。图2联轴器金属片承载情况示意图在联轴器稳定工作时，其失效的原因不是由于受载过度而平均应力超值，而是由于交变应力过大，超过允许疲劳极限而在压紧圈附近压杆上产生疲劳裂纹或断裂，然后扩散至拉杆边，最后联轴器产生故障。根据钢片疲劳试验，正常工况下，金属钢片的疲劳循环次数理论上为无限值，因此GNL联轴器的额定使用寿命极长，可达5年之久。试验工作对几种材料的钢片进行了超载疲劳和额定载荷疲劳试验，由图3可见，额定工况下，联轴器角向挠曲1.67(±1mm弯曲幅值)时，疲劳应力值σＮ在极限应力σＲ以下很多，因此其疲劳循环次数NK无限止的。即使疲劳弯曲幅值为±4mm，其应力值σＮ也在以下。2.2GNL联轴器钢片组的扭转刚度KT和受压杆弯曲稳定性判别传动系统中安装GNL联轴器时，钢片组的刚度对系统的扭转特性起着重要作用。通常情况下系统的工作转速要避开系统的自振频率(一阶)，以免发生共振。系统的一阶自振频率由下式计算：式中KT为联轴器扭转静刚度；I1、I2为驱动端和从动端的转动惯量。图４刚度模拟图图５受力模拟试验得知：GNL联轴器试验钢片组的平均刚度KT=0.8858×106Nm/rad,(德国Tormin-A公司,KT=0.831×106Nm/rad)。数据显示本产品使用的材料其刚度特性和国外产品很接近。根据GNL挠性钢片的力学模型，受压两边在载荷超过临界值以后，受压两边钢片产生向外扩张，现不考虑拉边杆件对受压边的约束，压边外层两片和内层钢片的受力模型见图4和图5。因一阶压屈的挠度为ω＝C1×sinπχ，相应的X方向位移为δ。根据压屈做功和钢片弯曲弹性能相等为条件，可得方程式为GNL试验钢片组经计算试验分析，在不考虑内层钢片受外层片约束和拉杆边对受压边的约束条件下，其PΣ=364.32kg(以11片计算)。按额定设计值，GNL试验钢片在额定工况下的PN值为263.1578kg，令PN＜PΣ，说明GNL目前生产的钢片组其压边的稳定性是足够的，其稳定性裕度系数大于2.7688(忽略各种约束，使产品处于安全一边)。3GNL联轴器的动态特性分析3.1钢片组的阻尼特性3.1.1钢片组的扭振阻尼特性GNL联轴器扭振阻尼特征参数之一是临界阻尼c/c0，实验台架上把钢片組在额定扭矩条件下利用叠加扭法可以测得，并按下式求得阻尼度ψ值为式中ωε为联轴器组件的自振频率；ω为工作频率。GNL联轴器的扭转阻尼比见表1。表1GNL联轴器的扭转阻尼比试验号123ωεc/c00.04030.04590.04923.25～3.443.1.2钢片组的纵向振动阻尼钢片组的弹性和中间套筒的质量形成联轴器本身的弹性系统，並具有自振频率ωB较低，因此不会产生纵向共振。对于高速机组(3000r/min左右)必须对联轴器的纵向自振频率予以专门设计计算，使ωB提高后远离机组工作频率。在纵向振动计算中，纵向阻尼比c/c0是重要参数。本产品GNL联轴器根据激振法测得的纵向振动波形，得到其ωB=20Hz,c/c0=0.11196。如果以相应的圆钢丝弹簧阻尼器相比，GNL联轴器钢片组的扭振阻尼比ωB是前者的1.256～1.538倍，而纵向振动阻尼比是它的3.499倍(弹簧阻尼器的c/c0=0.032)。图6为GNL联轴器钢片组的静态阻尼椭圆图。图６钢片组的扭转阻尼椭圆由阻尼椭圆的阻尼度ψ可知，钢片组的阻尼性能是很好的，其值是低阻尼高弹橡胶联轴器的99.5%，是高阻尼高弹橡胶联轴器的35%。3.1.3GNL联轴器钢片组阻尼的产生根据前述钢片组的力学模型，两边受压杆在工作扭矩下承受压力p，当p值超出临界，或工作中安装条件形成的附加约束，压杆组会产生图7所示的几种压屈形状，其表达式为受压杆组如没有安装和工作上的附加约束只可能产生h=1的一阶压屈形状，如安装对中条件不佳可能产生二阶压屈，二阶以上是极少有的。今设钢片组由于加工精度或轴向串动原因，工作在额定工况下产生一阶压曲形振，这时在钢片组压紧圈附近將产生明显的片间摩擦见图8。钢片组的阻尼由此形成。图７钢片压屈形状图８钢片弯曲振动下的片间阻尼如果GNL联轴器由于安装上精度不符合要求，而使钢片压杆产生二阶压曲形状则产生片间摩擦的区域会扩大到压杆中间，而产生更大的摩擦阻尼，由于钢片是耐磨、耐高温弹性钢质材料制成，因此工作中钢片间振荡摩擦不会影响其可靠寿命，这就是GNL联轴器的优良特点。为了GNL联轴器正常工作，二阶压屈现象是不希望产生的。3.2GNL联轴器对轴系横振和扭矩冲击的隔离性能根据GNL的钢片轴位移刚度特性图9。由轴系横振产生轴向和角向偏移时(2mm和0.5°～1°之内)其复位力是相应微小的，振动交变力通过两组钢片的传递也大大衰减。从而使从动轴段上的横振幅值降至很小，GNL联轴器这种优良的隔振特性，不仅由试验台架上测得的具体数据所证实，同时被所有装用GNL联轴器传动设备和船用推进机组所证实。图10为GNL联轴器在高速试验台架上测得的振动隔离特性。图９GNL钢片轴向偏移刚度图10振动隔离特性GNL联轴器的隔振抗冲击效率：隔振效率n192%～95%抗冲效率n216%～25.1%由图9特性曲线可知，动力端的轴系在垂直和水平方向的振动都被GNL联轴器所隔离了，输出端的剩余振动只余下8%～5%，工作非常平稳。GNL联轴器的抗冲击性能是令人滿意的，由于钢片组的扭转阻尼和刚度特性，使GNL联轴器的抗冲击效率达到了25.1%。抗冲击效率是在试验台架上采用冲击扭矩载荷，由示波图记录。4GNL联轴器的高速性GNL联轴器结构设计上的均匀和对称保证了优良的高速特性，最高转速可达到28000r/min，图11为GNL联轴器的许用高速曲线。为了保证联轴器的工作平稳性，设计参数在常用值以下，联轴器组件不做动平衡试验是允许的。根据图9所示，GNL联轴器从动端的工作平稳性与转速的升高几乎无关，如果动力端机组的工作原来很平稳(如高速电机、汽轮机等)，那么装用GNL联轴器后整个机组必然有更好的平稳性效果。图11GNL钢片联轴器许用转速曲线5GNL联轴器的高效率传动特性挠性联轴器的型式很多。常用的有柱销式橡胶圈联轴器、高弹性橡胶联轴器、伏尔肯式(vulkan)橡胶联轴器，它们都属非全金属式的。全金属式除GNL型外，尚有膜盘式、弹簧圈式、钢丝球式等。除膜盘式和GNL一样有很高的传动效率外，其他型式联轴器在额定扭矩后直线传动或折线(有一定角向、径向偏移)传动时都较GNL有更多的传动损失。这是由于联轴器在承受扭矩和变位应力时，橡胶弹性件和弹簧圈等有较大内损耗的缘故。因此上述GNL联轴器阻尼椭圆图和阻尼度Ψ值要比高弹橡胶联轴器为小。由此GNL联轴器得到了高的传动效率，几乎100%(额定扭矩、额定角向偏移时)。图12为传动效率试验装置，利用轴系折线布置比较了柱销式橡胶联轴器和GNL钢片挠性联轴器的传动效率，其结果见表2。图12传动效率试验装置表2两种联轴器的传动效率比较联轴器型式轴转速/（r/min）轴线偏转工作泵效率/％两小时工作后弹性圈或膜片情况GNL型2910直线0°偏2°＋2°75.3完整无损柱销式橡胶圈型2910直线0°偏2°＋2°75.373.5完整无损严重损害6结论综合上述试验结果表明，GNL钢片挠性联轴器具有如下特点。（１）适用于较大的轴向、径向移位和角度偏转。（２）轴向、径向移位和角度偏转时反力小。（３）许用转速高，并可传递大扭矩。（４）耐腐蚀，不受温度和油的影响(可在180℃以下的高温环境中工作)。（５）没有磨损，无需润滑。（６）质量轻、尺寸小、结构简单、拆装方便，适应面广。（７）扭转刚度较大，具有一定阻尼和吸振、隔振能力。