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膜片联轴器的应力分布情况及改进方法

2018-03-15 09:59:56

金属挠性膜片联轴器(简称“膜片联轴器”),是一种以金属挠性元件来传递转矩而无需润滑的传动装置,广泛应用于舰船、航空、石油化工、机械制造等领域。其挠性元件是由一定数量的薄金属膜片0.2mm~0.6mm叠合而成的膜片组。工作时转矩从主动法兰盘输入,经过沿圆周间隔布置的主动传扭精密螺栓将转矩传输至金属膜片,再由膜片通过从动精密螺栓传至从动法兰盘输出。它通过高强度合金膜片组产生弹性变形来实现联轴器的挠性传动,利用膜片的柔性来吸收输入输出轴间的相对位移,从而补偿传动轴系各个连接部分由于各种因素引起的残余不对中。

  膜片联轴器能够补偿的不对中形式包括如下3种基本类型:角向(两轴中心线成一定角度交于两轴端之间的中点)、横向(两轴中心线平行偏移)和轴向(两轴轴向间隙过大)。旋转轴系运行时出现的实际偏移往往是以上任意2种不对中的组合或者同时兼有3种不对中形式,因此膜片联轴器实际工作时的载荷及变形比较复杂。

  膜片作为膜片联轴器的关键弹性元件,工作时承受的主要负荷。

  当膜片联轴器旋转时,其角向偏移将产生交变应力,每旋转一周循环交变一次。膜片动应力将导致膜片和螺栓的疲劳破坏,因而准确地计算动静复合应力,是预测膜片联轴器寿命、保证膜片式联轴器可靠工作的关键。

  已有的相关研究多限于分析膜片在单独承受某一种载荷时的应力分布情况,而对于膜片实际承受复杂载荷时的动静复合应力较少涉及。

  相邻两螺栓孔之间的膜片段可等效为悬臂梁,并利用材料力学的方法推导出连杆型膜片联轴器在单独承受转矩、离心载荷、轴向偏移以及角向偏移时膜片内部应力的计算公式,同时提出了一种计算膜片扭转刚度的方法,是运用经验公式来分析膜片应力和刚度的典型方法,但是其的不足是无法考虑螺栓孔周围区域应力集中效应的影响,导致计算应力与实际应力有较大的差距。

  比较典型的运用有限元法和薄板弯曲理论对膜片应力和疲劳寿命开展的研究。其共同点是   先分析膜片在各种单独工况下的应力,将3种静态应力(轴向弯曲应力、膜片应力、离心应力)的组合应力作为膜片的平均应力,将旋转时角向偏移引起的应力作为交变应力幅,应用静力学分析分别求得平均应力和交变应力幅,然后基于此结果进行疲劳分析。

  然而上述研究方法有两点需要改进:

  1)一般说来,静态组合应力的分布和角向弯曲应力的分布是不同的。两种情况下应力点分布的区域严格说来并不重合。

  2)旋转除了产生离心力,还会产生惯性力。将角向偏移产生的应力作为交变应力幅实际上是忽略了惯性力的影响。

  我们针对这两点展开研究,以工程应用中常见的束腰型弹性膜片联轴器为例,利用有限元软件ANSYS建模,将瞬态动力学分析方法引入膜片联轴器的应力分析。瞬态动力学方法是用于确定承受任意随时间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法,可分析确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的任意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力及力。


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