大轉(zhuǎn)矩高彈性聯(lián)軸器位移補償機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉國花 褚洪森 史 進 譚曉星 董 鵬 孔曼軍

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

高彈性聯(lián)軸器具有調(diào)整軸系扭轉(zhuǎn)振動、補償兩軸的相對位移、衰減振動沖擊的功能，以保障動力系統(tǒng)總體性能要求的實現(xiàn)，是動力傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其使用性能直接關(guān)系到整個船舶傳動軸系部件的安全和壽命問題。

高彈性聯(lián)軸器橡膠彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩的過程中會產(chǎn)生很大的軸向反力[1]，直接影響與聯(lián)軸器主、從動端相鄰的推力軸承軸瓦的壽命。若軸向反力超過了推力承軸允許載荷，則會導(dǎo)致推力軸承的損壞，較常見到的就是推力瓦磨損和燒毀，嚴(yán)重時還會造成更大的設(shè)備損壞事故。一些特殊場合，在高彈性聯(lián)軸器選型階段就需要注意高彈性聯(lián)軸器軸向反力的大小，以免其產(chǎn)生不良影響。

1 位移補償機構(gòu)

高彈性聯(lián)軸器主要由橡膠彈性元件和位移補償機構(gòu)兩大部分組成。橡膠彈性元件按照等強度理論設(shè)計制造，橡膠被硫化黏結(jié)在兩金屬法蘭之間，用于調(diào)頻調(diào)幅、吸收振動能量、補償徑向位移。橡膠元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，并會沿軸向伸長[2]，若在傳遞轉(zhuǎn)矩的過程中橡膠元件的兩端為剛性約束，橡膠元件將會產(chǎn)生很大的軸向反力。位移補償機構(gòu)用于補償由于橡膠彈性元件受扭時軸向伸長及振動沖擊等多種因素下產(chǎn)生的軸向位移，避免因軸向力過大引起危害。

目前常用的位移補償機構(gòu)有撓性桿式和膜片式，撓性桿式和膜片式高彈性聯(lián)軸器原理結(jié)構(gòu)分別見圖1和圖2所示。

1-橡膠彈性元件 2-撓性桿座 3-撓性桿 4-法蘭軸

1-Flexible rubber element 2-Flexible link pedestal 3-Flexible link 4-Flanged shaft

圖1 撓性桿式高彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.1 Diagram of highly flexible coupling with flexible link

1-橡膠彈性元件 2-膜片座 3-膜片 4-軸套

1-Flexible rubber element 2-Membrane pedestal 3-Membrane 4-Hub

圖2 膜片式高彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.2 Diagram of highly flexible coupling with membrane

撓性桿式位移補償機構(gòu)主要由撓性桿、撓性桿座和法蘭軸組成，由合金彈簧鋼制作的撓性桿切向交錯布置連接在撓性桿座和法蘭軸之間。撓性桿式位移補償機構(gòu)具有良好的軸向和角向位移補償性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶推進軸系等各種場合，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大，軸向空間要求較大，不太方便加工和拆裝。

膜片式位移補償機構(gòu)相比較同等傳遞轉(zhuǎn)矩能力的撓性桿式位移補償機構(gòu)具有更好的軸向和角向位移補償能力，且結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，加工和拆裝方便。

鑒于膜片式位移補償機構(gòu)的優(yōu)勢，小轉(zhuǎn)矩高彈性聯(lián)軸器已逐漸采用膜片式位移補償機構(gòu)代替原撓性桿式位移補償機構(gòu)。但是由于膜片的尺寸限制，較大型號的膜片式位移補償機構(gòu)難以實現(xiàn)，所以大轉(zhuǎn)矩高彈性聯(lián)軸器仍采用撓性桿式位移補償機構(gòu)，大轉(zhuǎn)矩?fù)闲詶U式高彈性聯(lián)軸器外觀見圖3。

隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，軸系中對高彈性聯(lián)軸器提出更嚴(yán)格的要求，大轉(zhuǎn)矩?fù)闲詶U式高彈性聯(lián)軸器的優(yōu)勢體現(xiàn)不足，開發(fā)設(shè)計具有更強位移補償能力，方便加工和拆裝的膜片式位移補償機構(gòu)日趨迫切。

圖3 大轉(zhuǎn)矩?fù)闲詶U式高彈性聯(lián)軸器實物圖

Fig.3 Photo of the large torque highly flexible coupling with flexible link

2 位移補償機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 可行性分析

在小型高彈性聯(lián)軸器中膜片式位移補償機構(gòu)已經(jīng)基本完全取代了撓性桿式位移補償機構(gòu)，它滿足位移補償?shù)雀鞣N要求，工作狀態(tài)良好，且未曾出現(xiàn)因膜片式位移補償機構(gòu)設(shè)計不足產(chǎn)生的問題，其優(yōu)勢勝于撓性桿式位移補償機構(gòu)。借鑒小型高彈性聯(lián)軸器膜片結(jié)構(gòu)位移補償機構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，只要攻克膜片尺寸限制的困難，那么大轉(zhuǎn)矩膜片式位移補償機構(gòu)的方案是可以實現(xiàn)的。

2.2 方案設(shè)計分析

對彈性膜片選用的材料、厚度、數(shù)量和形狀等參數(shù)進行考量、設(shè)計[3]，經(jīng)過可行性分析、可靠性分析后，確定彈性膜片結(jié)構(gòu)的位移補償機構(gòu)設(shè)計方案，如圖4所示。

圖4 膜片式位移補償機構(gòu)設(shè)計方案

Fig.4 Scheme diagram of displacement compensation mechanism with membrane

對彈性膜片結(jié)構(gòu)的位移補償機構(gòu)采用ABAQUS軟件進行軸向反力分析[4]，其云圖見圖5所示。對具有同等傳遞轉(zhuǎn)矩能力的撓性桿結(jié)構(gòu)位移補償機構(gòu)的軸向反力測試，測試結(jié)果見表1。彈性膜片結(jié)構(gòu)的位移補償機構(gòu)仿真與撓性桿位移補償能力測試結(jié)果的比較見圖6所示，彈性膜片結(jié)構(gòu)的位移補償機構(gòu)軸向反力遠(yuǎn)小于撓性桿結(jié)構(gòu)位移補償機構(gòu)的軸向反力，可以達到設(shè)計要求。

3 試驗驗證

按照優(yōu)化設(shè)計的方案進行樣機加工，彈性膜片見圖7所示，將其組裝安裝在軸向位移試驗臺上進行試驗，測量其軸向反力與軸向位移，結(jié)果見下表2。

圖5 彈性膜片位移補償ABAQUS仿真分析

Fig.5 Simulated analysis for the capability of displacement compensation of membrane with ABAQUS

表1 撓性桿式位移補償機構(gòu)軸向反力測試結(jié)果

圖6 軸向反作用力的對比分析

圖7 彈性膜片實物圖

由表2和表1列表中的平均值可見，彈性膜片式位移補償機構(gòu)軸向反力不到撓性桿結(jié)構(gòu)位移補償機構(gòu)的軸向反力的11%(位移10 mm時，10.31 kN<94.47 kN)，達到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了設(shè)計目的。優(yōu)化前采用撓性桿結(jié)構(gòu)、優(yōu)化后采用膜片結(jié)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)對比見圖8。

表2 膜片式位移補償機構(gòu)軸向反力測試結(jié)果

圖8 優(yōu)化前后的試驗數(shù)據(jù)對比

膜片式大轉(zhuǎn)矩高彈性聯(lián)軸器位移補償機構(gòu)已成功地在實船上得到應(yīng)用，目前工作狀態(tài)穩(wěn)定，位移補償性能指標(biāo)滿足實際的使用要求。

4 結(jié)論

通過仿真分析和試驗驗證，大轉(zhuǎn)矩高彈性聯(lián)軸器采用膜片式位移補償機構(gòu)后，性能比采用傳統(tǒng)的繞性桿式結(jié)構(gòu)有很大的提升，且結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，縮短了高彈性聯(lián)軸器的加工周期，有利于企業(yè)進一步提高經(jīng)濟效益。

本文提出的大轉(zhuǎn)矩膜片式位移高彈性聯(lián)軸器的優(yōu)化設(shè)計方法實用、有效，為今后同類型產(chǎn)品的設(shè)計積累了經(jīng)驗，對以后的工作具有很好的指導(dǎo)意義。