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联轴器防止传动轴系的装置和功率工况

2021-03-04 19:41:43

<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>、联轴器的功率工况
法兰梅花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,国际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,我国轨道交通发展迅速,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。重载运输得到发展,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、啮合精度高、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。