液壓和鍵式聯(lián)軸器對(duì)輸出軸特性的影響

高春

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)也隨之提高。在工業(yè)應(yīng)用中離不開(kāi)減速器，而減速器的壽命取決于多種因素，其中減速器的輸入或輸出軸的振動(dòng)因素和受力不均因素影響較大，而聯(lián)軸器能夠緩解這種不利因素[1]。

液壓蛇形簧聯(lián)軸器的成功研制是對(duì)傳統(tǒng)聯(lián)軸器工藝的一次巨大變革。傳統(tǒng)的聯(lián)軸器，主要是靠各種各樣的鍵連接來(lái)傳遞扭矩[2]。對(duì)于傳遞扭矩比較大的設(shè)備，軸上的鍵槽會(huì)嚴(yán)重削弱軸的強(qiáng)度、剛度以及承載能力。為了保證所連兩軸的同心度、避免振動(dòng)，一般大型的聯(lián)軸器與軸的配合都采用過(guò)渡配合或過(guò)盈配合[3]。此類聯(lián)軸器安裝與拆卸時(shí)比較困難。液壓蛇形簧聯(lián)軸器的應(yīng)用很好地解決了上述問(wèn)題，且具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如優(yōu)越的緩沖性能、較長(zhǎng)的使用壽命、拆卸快速、維修簡(jiǎn)單、安裝要求低等。液壓蛇形簧聯(lián)軸器最初應(yīng)用于艦船，現(xiàn)在越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于其他各個(gè)行業(yè)[4]。

由于某機(jī)型的工況環(huán)境比較惡劣，震動(dòng)較大，所以對(duì)破碎輥筒和減速機(jī)輸出軸的聯(lián)接部件——聯(lián)軸器有著較大的考驗(yàn)，要求其有一定的抗振、減振、穩(wěn)定牢固的作用[5]。

1 液壓蛇形彈簧聯(lián)軸器工作原理

液壓蛇形簧聯(lián)軸器可避免因采用鍵槽而對(duì)軸系強(qiáng)度產(chǎn)生的削弱，且傳遞扭矩大、對(duì)中性好。常用的液壓聯(lián)軸器一般分為套筒式和法蘭式，其工作原理相同。在一個(gè)帶夾層的軸套內(nèi)注入一定的液壓介質(zhì)，再通過(guò)螺絲及活塞和外接工作泵就能將壓力分散并均勻地傳遞給軸和轂的接觸面。帶夾層的軸套（在壓力的工作下）圍繞著軸和轂(的接觸面）均勻地膨脹，從而產(chǎn)生均衡的接觸壓力，工作時(shí)依靠過(guò)盈配合面間的摩擦力傳遞軸的扭矩，如圖1所示。而傳統(tǒng)的鍵式蛇形簧聯(lián)軸器是靠鍵傳遞扭矩，雖然存在鍵連接的諸多缺點(diǎn)，但也具備蛇形簧的優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成

圖2 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成

2 建立三維實(shí)體模型

以某機(jī)型為原型，其中主要部件之一的聯(lián)軸器聯(lián)接著減速器的輸出軸和破碎輥筒軸，由于某機(jī)型的特點(diǎn)，減速器的輸出軸的振動(dòng)較大，對(duì)聯(lián)軸器的抗震和穩(wěn)定性要求較高。

2.1 建立某機(jī)型實(shí)體模型

本文利用Solidworks軟件建立某機(jī)型減速器輸出軸和破碎輥筒軸的裝配模型。在模型建立前，對(duì)某機(jī)型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理：模型的簡(jiǎn)化有利于計(jì)算和仿真，不影響實(shí)際外觀尺寸的設(shè)計(jì)。去除軸上的其他附屬件，只保留鏈接軸，在軸上模擬實(shí)際工況加載振動(dòng)載荷。液壓式蛇形簧聯(lián)軸器和鍵式蛇形簧聯(lián)軸器的外觀尺寸一致。建立液壓式蛇形簧聯(lián)軸器和鍵式蛇形簧聯(lián)軸器三維實(shí)體模型如圖3、圖4所示。

為便于準(zhǔn)確地對(duì)某機(jī)型的力學(xué)性能進(jìn)行分析，將齒盤部位和輥部件用一根軸代替。主要研究不同聯(lián)軸器對(duì)減速器抗振減振影響，所以這里只對(duì)減速器的輸出軸進(jìn)行研究。

2.2 建立某機(jī)型有限元模型

圖3 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器Solidworks模型

圖4 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器Solidworks模型

本文利用Solidworks自帶仿真模塊，無(wú)需模型數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，直接在原模型數(shù)據(jù)上仿真運(yùn)算，保證了某機(jī)型簡(jiǎn)化模型的完整性。

定義材料屬性、接觸，劃分網(wǎng)格

由于是裝配體模型，所以各部件之間的接觸、連接方式很重要，而本文中為劃分網(wǎng)格流暢，省略了油口，且各部件聯(lián)接方式：軸承與軸之間使用接觸方式，而鍵與軸、鍵與聯(lián)軸器之間的接觸采用摩擦無(wú)穿透接觸[6]。模型的材料屬性選取自帶的材料。選取聯(lián)軸器及連接軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5、圖6所示。液壓式蛇形簧聯(lián)軸器部件共劃分42535個(gè)單元，有12196個(gè)節(jié)點(diǎn)；鍵式蛇形簧聯(lián)軸器部件共劃分36240個(gè)單元，有12220個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器網(wǎng)格劃分

圖6 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器網(wǎng)格劃分

3 固有特性計(jì)算

某機(jī)型聯(lián)軸器模態(tài)分析可以用來(lái)確定模型或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。通過(guò)模態(tài)分析，能夠得到模型的自然頻率(固有頻率)、振型以及振型系數(shù)。參考模態(tài)分析的結(jié)果，在設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)時(shí)盡量避免模型發(fā)生在共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)工況下；使設(shè)計(jì)者能夠認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷的響應(yīng)，從而有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)（如時(shí)間步長(zhǎng)）。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)于各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析之前一般都要首先進(jìn)行模態(tài)分析。

約束邊界條件，在模態(tài)求解過(guò)程中，邊界條件的設(shè)置直接關(guān)系到各階模態(tài)、振型。對(duì)于破碎輥筒部件的支撐設(shè)置為：破碎輥筒與機(jī)架是靠軸承與軸承座連接起來(lái)的，所以使用支撐，將該支撐的軸向、徑向位移設(shè)定為0，切向設(shè)定為自由；減速器的齒輪軸也是軸承連接，所以也使用支撐，將該支撐的軸向、徑向位移設(shè)定為0，切向設(shè)定為自由[7]。求解模型的前5階模態(tài)（見(jiàn)表1）得到某機(jī)型輥部件的固有頻率、固有振型等相關(guān)信息。

表1 前5階固有頻率

本次模態(tài)分析選取了前5階進(jìn)行分析，其中1～2階、3階、4～5階頻率變化比較接近，而且頻率值變幅較小，反映在振型圖形上振型變化比較接近。

在1～2階振型中2種結(jié)構(gòu)下的振動(dòng)頻率都較小，反應(yīng)在振型圖上面可以看出破碎輥筒部件整體振動(dòng)較小，而鍵式蛇形簧聯(lián)軸器輥部件的振動(dòng)頻率高些。說(shuō)明在這種頻率段的激振作用下，平鍵的振動(dòng)明顯，容易出現(xiàn)平鍵松動(dòng)、滾鍵等問(wèn)題，如圖7、圖8所示。

圖7 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器第1階模態(tài)

圖8 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器第1階模態(tài)

第3階模態(tài)中2種破碎輥筒部件的振型圖基本一致，反應(yīng)在圖形上是輥中間部位沿軸向的振動(dòng)。

在第4～5階振型中2種部件的振動(dòng)頻率主要是從第4階差異較大，而反應(yīng)在振型圖形上可以明顯地看到液壓式蛇形簧聯(lián)軸器的振動(dòng)幅度主要體現(xiàn)在蛇形簧和軸轂振動(dòng)變形，而鍵式蛇形簧聯(lián)軸器主要是蛇形簧的振動(dòng)變形。說(shuō)明在此振動(dòng)頻率下鍵式蛇形簧聯(lián)軸器部件的振動(dòng)要明顯些，如圖9、圖10所示。

圖9 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器第4階模態(tài)

圖10 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器第4階模態(tài)

4 諧響應(yīng)分析

4.1 定義接觸、邊界約束

結(jié)合實(shí)際情況，2種部件的外界約束是相同的，具體約束與模態(tài)分析中一致。

4.2 施加外界載荷

參照中型某機(jī)型的載荷大小，為便于分析，本文給出的載荷取整值，本模型作諧響應(yīng)分析時(shí)，依照簡(jiǎn)諧規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，在y方向施加大小為8×105N的簡(jiǎn)諧激振力，結(jié)合實(shí)際情況激振力的頻率范圍選取0～90 Hz,設(shè)置步數(shù)為20步。載荷施加在減速器輸出軸中間部位平面，與軸成30°夾角，直徑為準(zhǔn)190的圓面。

4.3 諧響應(yīng)分析結(jié)果

本文主要是考慮在該激振力作用下，2種不同的聯(lián)軸器對(duì)減速器振動(dòng)的影響，所以主要考慮減速器輸出軸的振動(dòng)情況。選取減速器輸出軸同一位置為研究對(duì)象，計(jì)算出該軸在y向的最大位移、應(yīng)變、應(yīng)力。

完成上面各項(xiàng)設(shè)置后，求解得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值和頻率的變化關(guān)系曲線，對(duì)其進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

因?yàn)橐芯康氖?種聯(lián)軸器在相同條件下，對(duì)減速器抗振、減振及穩(wěn)定性的影響。故對(duì)輸出軸各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移-頻率、應(yīng)變-頻率、應(yīng)力-頻率響應(yīng)進(jìn)行分析，如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。

由圖11至圖16可以看出：

(1)當(dāng)激振力頻率在50 Hz左右時(shí)位移、應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到最大值。說(shuō)明此頻率的激振力對(duì)減速器輸出軸的振動(dòng)影響最明顯；

(2)液壓式蛇形簧聯(lián)軸器的減速器輸出軸y向的最大應(yīng)力、應(yīng)變、位移都小于鍵式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸。對(duì)于減速器輸出軸壽命的影響主要取決于徑向和切向激振力的作用，反映在文中主要是y方向的影響，在這個(gè)方向載荷和振動(dòng)的作用下很容易造成減速器輸出軸的變形、疲勞甚至結(jié)構(gòu)損壞，從而影響減速器使用壽命。這兩種結(jié)構(gòu)在相同載荷環(huán)境下，減速器輸出軸的振動(dòng)位移、應(yīng)力是不同的，通過(guò)y方向上的位移、應(yīng)力、應(yīng)變的比較可以看出：液壓式蛇形簧聯(lián)軸器對(duì)外界載荷的抗振、減振效果比鍵式蛇形簧聯(lián)軸器的更明顯。

圖11 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向位移

圖12 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向位移

圖13 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向應(yīng)變

圖14 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向應(yīng)變

圖15 液壓式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向應(yīng)力

圖16 鍵式蛇形簧聯(lián)軸器減速器輸出軸y向應(yīng)力

5 結(jié)論

(1)利用Solidworks軟件得到輥部件裝配體的前5階模態(tài)，求得前5階模態(tài)的固有頻率及振型；

(2)通過(guò)諧響應(yīng)分析，相對(duì)鍵式蛇形簧聯(lián)軸器，液壓式蛇形簧聯(lián)軸器能夠使減速器輸出軸y方向上最大位移減小率為5.8%，最大應(yīng)力減小率為12.2%，液壓式蛇形簧聯(lián)軸器能夠更好地減緩某機(jī)型工作時(shí)對(duì)減速器的沖擊。