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联轴器的功率工况与扭振特性

2021-02-04 10:30:29

一、联轴器的功率工况
星形联轴器是联接两轴或轴和回转件,在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外,联轴器还能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及防护功能。
按照联轴器的性能分类,联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器或称为固定式联轴器,这种联轴器虽然不具有补偿功能,但有结构简单、制造容易、不需要维护、成本低等特点;挠性联轴器中又分为无弹性挠性联轴器和带弹性元件挠性联轴器,前一类只具有补偿两轴相对位移的能力,后一类除具有补偿性能外,还具有缓冲和减振作用,但在传递转矩的能力上,因受弹性元件的强度限制,一般不及无弹性元件联轴器。
联轴器是机车驱动装置的关键部件,随着铁路机车车辆运行速度的提高,对联轴器的结构及性能提出了高的要求。自二十世纪六十年代中期以来,上机车动车的运行速度大幅度提高,干线货运机车的构造速度为120160km/h,干线客运机车的构造速度为1601--250km/h,高速动车组的构造速度为200~300km/h,个别型号动车己达350km/h。为满足高速运行的经济指标,机车动车的功率也不断增大。三相异步交流电机在机车上的应用获得成功,使每台牵引电动机的功率由700~800kW增大到1200~1600kW。单电机转向架问世后,组合传动的牵引电动机,其功率就人了,如法国CC21000型电力机车,其牵引电动机的小时功率达3004kW。可见,传动装置为适应机车动车的需要而向高速、大功率发展成为必然的趋势。
近几年,我国轨道交通发展,加快了机车车辆技术的发展。我国铁路客运已实现六次大提速,时速160km/h以上的线路延展里程达到1.4万公里,时速200km/h以上的线路延展里程达6003公里。重载运输发展,大秦线路大量开行1万吨和2万吨重载组合列车,将实现年运量3.0亿吨。
由此可以看出,随着铁路向着高速,重载的方向大力推进,大功率机车驱动技术是机车转向架研究的要点,为了满足铁路发展的需要,机车驱动装置满足高转速、大扭矩、大功率的性能要求,而其关键部件联轴器是驱动装置的决定性因素,也是设计的难点。
在大功率机车的驱动系统中,联轴器将电机的驱动力矩传递给主动齿轮。
联轴器与主动齿轮轴之间依靠端齿传递力矩。在高速、重载大功率的工况下,对联轴器提出了高的要求。要求联轴器在及其有限的空间内实现高转速运转和大扭矩的传递。
为了解决上述问题,现代交流大功率机车的驱动系统普遍采用将电机和齿轮箱合成的整体驱动系统,其联轴器采用膜片式弹性联轴器,如HXD1B.HXD3B等机车。联轴器的端齿齿形分布通常采用三种方式:十字型端齿,径向端齿,圆弧端齿,三种方式的齿形断面均为梯形。
在当前实际应用过程中,圆弧端齿主要有两种形式,一种是每对啮合的圆弧端齿盘分为凸齿元件和凹齿元件,另一种圆弧端齿是各圆弧端齿沿径向方向齿廓线的方向相同。后一种圆滑端齿相对于前一种,具有结构简单,制造方便等优点,可以采用成形杯形砂轮一次同时加工两相邻齿面,能够较大的提高圆弧端齿的制造加工效率。
圆弧端齿相对于其它几种齿形端面,则主要具有以下优点:高刚性,当齿与齿啮合时,轮齿间接触面是相当均匀连续的,而且齿盘有多少轮齿便有多少对齿接触面,接触面积大,因此齿盘就能承受较高的载荷而具有很高的刚性。
自动对心,由于端面弧齿盘的轮齿齿形由外向内沿其弧度均匀缩小,且轮齿以端齿盘的中心轴对称。在各齿向心力的作用下,两端齿盘实现自动对心。
此外,圆弧端齿弹性联轴器较前两种齿形具有结构紧凑、啮合、传递力矩大,并便于设计、制造、安装等一系列优点。
因此,圆弧端齿弹性联轴器应用于我国引进的和谐号大功率机车转向架的驱动系统中。为地消化吸收驱动系统中圆弧形端齿弹性联轴器的结构特性,需进行深入研究其设计机理和制造技术。
二、弹性联轴器的扭振特性
梅花型弹性联轴器是一种由橡胶弹性元件和金属弹性元件组成的扭转剪切型复合式高弹性橡胶联轴器,补偿位移能力大,可以补偿轴线的径向位移、轴向位移和角度位移,通过弹性元件传递转矩,传递转矩范围3.16kNm}-1260.0kNm,并具有线性扭转刚度特性,可采用不同的扭转刚度和阻尼系数,以充分调节动力系统的扭振特性,刚度调节范围宽,可维修性好,主要用于船舶主推进装置和大功率的电站辅机。
LS系列弹性联轴器主要由扭转弹性部件、膜片部件或挠性杆和连接件组成。扭转弹性部件由多个元件组成,它根据结构尺寸和刚度级别的要求布置成单排和多排型式。每排弹性元件又由多个扇形块组成。
采用扇形块元件及在多排型联轴器中将其错开布置的方式能使元件获得良好的通风和冷却条件。在一些尺寸组中扇形块还设有辅助通风孔。扇形块结构使联轴器易装配。
膜片部件是由圆环状膜片组成;挠性杆组件是由多个呈正切方向布置的挠性杆组成。它们都是布置在弹性部件的后端,并允许承受轴向位移,换弹性元件无需移动两端设备。
LS系列联轴器具有广泛的应用,可用于船舶主推进,PTO(辅助动力输出),发电机组及其它一般工业应用。
LS系列联轴器可装备扭转限位装置,在发生较大冲击负荷时,弹性元件受破坏的瞬间,可继续维持轴系运行。
本文研究所使用的LS1210型弹性联轴器是一种单排扇形橡胶块弹性联轴器,其橡胶弹性元件由两个半圆扇形块组成,其橡胶直接硫化在两侧的直法兰和斜法兰之间,工作时,主动端传来的转矩先传给斜法兰,然后由弹性橡胶元件将转矩传递给直法兰,较后传递给输出端。对于扭转型的LS系列弹性联轴器来说,在传递转矩的过程中主要受到剪应力。
弹性联轴器在交变载荷下工作,随着使用时间的增加,其性能必然产生程度的下降,尤其是其中的橡胶弹性元件,相对金属元件来说,性能下降得为明显,当某性能下降到某一程度可能就不符合该场合下的使用要求;使用时间继续增加还可能发生裂纹甚至断裂。因此,对弹性联轴器的橡胶弹性元件进行寿命评估与预测就显得尤为重要。