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联轴器防止传动轴系的装置及非线性动力特性

2021-08-17 13:00:55

【一】、联轴器防止传动轴系过载的装置
联轴器是机械产品中一种常用的部件,用来联接两轴或轴和回转件,并在传递运动和动力过程中,一同回转而不脱开也不改变转动方向和扭矩大小;有些弹性柱销联轴器还有补偿两轴相对位移和缓冲减振等功能。此外,有些联轴器还可兼作防止传动轴系过载的装置。
随着工业和科学技术的发展,机械在现代工业中的应用不断扩大,种类不断增加,对其性能的要求也愈来愈高。为了提高机械装置的效能和可靠性,保证机械的零部件,尤其是联轴器,具有是十分重要的。因此,尽管目前有不少系列化、标准化的联轴器,但由于机械种类繁多,且其载荷、转速、工作环境各不相同,故还需要各种性能不同的联轴器,以适应不同的工况和使用要求。
目前,联轴器种类繁多,根据不同的原则可有不同的分类,一般来说,联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器。
(1)刚性联轴器刚性联轴器又分为固定式刚性联轴器和可移式刚性联轴器。固定式刚性联轴器,如套筒联轴器、凸缘联轴器和夹壳联轴器等,它们的联接元件之间不能相对运动,只能用于被联接两轴安装时能严格对中和工作时不会发生相对位移的场合。可移式刚性联轴器,如十字滑块联轴器、滑块联轴器、链条联轴器和齿轮联轴器等,设计有可相对移动的联接元件,依靠联接元件的相对移动来补偿被联接两轴的对中误差和相对位移。因此,可移式刚性联轴器用于被联接两轴存在一定的对中误差或相对位移的场合。
(2)弹性联轴器弹性联轴器具有能产生较大弹性变形和阻尼作用的弹性元件,依靠弹性元件补偿两轴相对位移,还能起缓冲和吸振的作用。
弹性联轴器中的弹性元件是指富于弹性、具有类似弹簧功能的传扭零件,是弹性联轴器中极为重要的零件,弹性联轴器工作性能的好坏,主要取决于弹性元件的性能。要得到适用于某一传动且性能优良的弹性联轴器,关键是要设计好其中的弹性元件。对于弹性元件的一般要求如下:(a)具有较高的弹性和阻尼,刚度恒定且持久,以保证装有联轴器的轴系动力特性相对稳定。
(b)在相同条件下能贮存较大的变形能,以获得较好的缓冲和振动效果。
(c)结构合理,工艺性好。
(d)体积小、重量轻。
根据弹性元件材料的不同,可分为非金属弹性元件和金属弹性元件联轴器。
非金属弹性元件的材料主要有橡胶和工程塑料,其中前者应用较为广泛。非金属弹性元件的特点有:①弹性变形较大,且可以通过改变材料成分得到不同的弹性模量而满足工程需要的刚度特性。②容易加工成复杂的几何形状,好地满足实际的工程需求。③阻尼特性好,缓和冲击和振动好。④不需润滑,绝缘性好。
与非金属弹性元件比较,金属弹性元件的优点有:①疲劳强度高,承载能力大,有利于减小联轴器的尺寸和减轻重量。②耐久性好,使用寿命长,在一般工作环境中,机械性能稳定,不会老化变质,可以长期存放,受环境影响小,工作范围广。③弹性模量大而稳定,不受工艺条件和结构因素的影响,容易控制联轴器的动力特性。
联轴器使用过程中,由于制造精度、安装误差、工作时轴的变形、轴承的磨损,以及支座的下沉等原因,被联轴器联接的两轴轴线常不可避免地存在一定的不同轴,即两轴轴线存在相对位移。当存在相对位移时,采用固定式刚性联轴器会引起附加载荷。为了避免这种现象,应采用可移式刚性联轴器或者弹性联轴器。
可移式刚性联轴器,依靠联接元件间的相对可移性来补偿被联接两轴安装时的对中误差,以及工作时的相对位移。但由于联接元件间的相对滑动时的摩擦,难免存在一定的附加载荷,其大小与相对滑动的联接元件的结构、制造精度、相对位移及滑动速度的大小以及润滑情况等有关。当两轴轴线位移过大时,附加载荷显著加大,将加剧联接元件的磨损。选用可移式刚性联轴器时,应充分考虑其对轴线位移的补偿范围,并应注意保证其润滑良好等问题。
弹性联轴器,依靠联轴器中弹性元件的弹性变形补偿所联接两轴的相对位移。与可移式刚性联轴器相比,弹性联轴器具有高扭矩刚性、灵敏性、顺时针和逆时针回转特性完全相同、零回转间隙、免维护、抗油和耐腐蚀性等特点。基于上述优点,弹性联轴器被加广泛地使用。
目前,对于弹性联轴器的研究主要包括以下两个方面:一方面是用于重型设备,如船舶、风电机组等高速大功率的应用环境,对联轴器的强度、刚度和寿命有很高的要求,所以其研究方向主要是联轴器内部的应力分布、强度、刚度与疲劳分析,以及相关的优化设计。另一方面是用于精密传动、伺服传动以及轴角检测装置的联轴器,对联轴器的传动精度有很高的要求。联轴器连接的两根轴一般情况下都存在安装误差,精密的弹性联轴器从原理和结构上应能较大限度减小由安装误差引起的转角误差,所以如何减小转角误差就是精密联轴器所要研究的重要课题。
【二】、弹性联轴器不对中转子轴承系统的非线性动力特性
在旋转机械中,不对中是仅次于不平衡的较常见的故障之一,联轴器不对中引起的附加作用力和力矩会诱发轴系的其它伴随故障,同时其它故障引起的轴系振动超标同样会引起不对中故障。不恰当的安装,转子的初始弯曲和热变形,非对称激励等使得轴系间不可能对中。因此研究不对中的产生机理和其对转子振动响应的影响,对于轴系的安装调整、故障诊断、等均具有重要意义。
由于不对中故障引起的轴系振动响应特征较容易识别和调整,而建立较为准确和普适的联轴器不对中的动力学模型十分困难,所以对轴系不对中机理的研究却并不充分。尽管如此,在对轴系不对中问题的研究上仍然有一些富有意义的研究成果。综述了不对中故障的机理、特征及对轴系稳定性的影响,总结不对中故障特征;法兰梅花联轴器不对中转子系统的建模和分析方法;齿式联轴器不对中的建模及对轴系振动的影响,通过实验研究了各种不对中状态下轴系振动响应的特征。联轴器不对中转子的不平衡响应,并指出不对中会引起高倍频响应;不对中转子系统的振动特征,指出除不对称外,转子裂纹和刚度不对称等也会产生工频的振动响应,并提出全息频谱方法可以用于不对中故障的诊断;平行不对中和偏角不对中所引起的附加力和力矩模型,建立了不对中转子系统的有限元模型,分析并指出不对中附加力和力矩的作用位置对转子系统的弯曲模态和振动响应有很大影响;联轴器不对中转子一轴承系统在跨越系统临界转速时的瞬态响应,并指出联轴器不对中对系统临界转速的影响可以忽略;联轴器不对中的建模,不对中对转子系统一阶临界转速和稳定性的影响,并讨论了不对中的诊断识别方法。
综上所述,对于不对中转子系统的绝大部分的研究均局限于线性范围内,没有考虑滑动轴承引起的非线性效应,且只关注于转子系统在若干关键转速下的振动响应特征,转子系统在升速过程中的全局频率响应特征很少被关注。本文建立了多盘转子一滑动轴承的集聚质量模型,联轴器不对中引起的附加作用力和力矩被看作是作用于轴系上的外部激励,并考虑了非线性油膜力的影响。比较分析了在考虑联轴器不对中前后系统的振动响应特征和稳定性,分析了在升速过程中系统的频率响应特征,运动的分岔和周期特性。
联轴器不对中影响下滑动轴承支撑的多盘转子的非线性动力响应特征及稳定性,联轴器不对中所引起的附加力和力矩被看作是转子一轴承系统的外部激励,比较分析了在考虑不对中影响前后,转子一轴承系统在升速过程中的频率响应特征、运动周期性及稳定性。