高速電機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器強(qiáng)度計(jì)算精度探討

張亮

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

總體上，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)軸、繞組、槽楔、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇、集電環(huán)、聯(lián)軸器等裝配而成，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)因離心力而受高機(jī)械應(yīng)力，所以相關(guān)結(jié)構(gòu)件的尺寸都應(yīng)以緊湊為宜，以避免造成機(jī)械不平衡、熱不平衡而導(dǎo)致的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。熱套形式的聯(lián)軸器是通過(guò)圓鍵傳遞扭矩的，該型聯(lián)軸器的扭矩傳遞結(jié)構(gòu)屬基本類型，在傳遞扭矩方面和實(shí)體軸有相近效果。聯(lián)軸器為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的重要部位，在運(yùn)行中負(fù)責(zé)傳遞原動(dòng)機(jī)扭矩，機(jī)組額定運(yùn)行時(shí)傳遞額定扭矩，要求能夠承受短路扭矩。所以，設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，保證其結(jié)構(gòu)應(yīng)力符合強(qiáng)度要求。此外，聯(lián)軸器還是與原動(dòng)機(jī)對(duì)組的機(jī)械接口，為了機(jī)械連接的精準(zhǔn)度要求，聯(lián)軸器上的重要位置加工精度也必須滿足相關(guān)設(shè)計(jì)方案尺寸和形位公差。最終結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)現(xiàn)應(yīng)在完成聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算、聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)參數(shù)修正、使其能夠滿足實(shí)際工程允許產(chǎn)生的應(yīng)力安全系數(shù)限制，從而確定轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器的最終尺寸設(shè)計(jì)方案。

1 實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)

為滿足與拖動(dòng)機(jī)機(jī)電連接要求，與汽輪機(jī)廠確定聯(lián)接接口尺寸后再行分析計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸器配合處直徑布置聯(lián)軸器和圓鍵的數(shù)量和長(zhǎng)度（如表1）。

2 問(wèn)題求解過(guò)程

計(jì)算聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，修正聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使聯(lián)軸器能夠滿足實(shí)際使用應(yīng)力安全系數(shù)的要求以確定聯(lián)軸器的最終設(shè)計(jì)尺寸，上述需要機(jī)電雙方的正式書(shū)面確認(rèn)證明，才能開(kāi)展施工設(shè)計(jì)流程。

表1 基本數(shù)據(jù)表

對(duì)于厚圓筒結(jié)構(gòu)屬于彈性力學(xué)范疇，其中的二維平衡微分方程為：

那么，對(duì)于無(wú)中心孔的軸，變形和應(yīng)力的解是：

對(duì)聯(lián)軸器：

約束條件為：

其中，R1為熱套配合半徑，R2為聯(lián)軸器外半徑。解得

聯(lián)軸器最大環(huán)向拉應(yīng)力為：

也即單邊緊量小于0.2mm，則安全系數(shù)大于2。

聯(lián)軸器與軸的相互擠壓應(yīng)力為：

國(guó)有企業(yè)在財(cái)務(wù)管理預(yù)算監(jiān)督過(guò)程中缺乏有效的監(jiān)督的現(xiàn)象較為明顯，尤其是財(cái)務(wù)管理部門對(duì)其下屬單位的監(jiān)督性不夠，直接造成了國(guó)有企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的下降。國(guó)有企業(yè)及其下屬單位屬于一個(gè)不可分割的利益共同體，其下屬單位的財(cái)務(wù)預(yù)算管理工作通常情況下監(jiān)督的力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，其中，缺乏科學(xué)的規(guī)劃、目前不明顯是最為突出的問(wèn)題，從而給國(guó)有企業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的不利影響。

對(duì)于圓鍵，因?yàn)橛善涑惺苻D(zhuǎn)軸上傳遞的扭矩，熱套聯(lián)軸器后，需要在圓鍵環(huán)形等距分布節(jié)圓鉆孔。一般來(lái)講，具有1:50的斜度，采用冷凍方法插入上序所鉆的光孔，并按圖紙技術(shù)要求對(duì)軸向?qū)嶋H位置進(jìn)行調(diào)整。

舉例說(shuō)明：圓鍵材質(zhì)為圓鋼35CrMo，熱處理后機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度不小于980MPa，屈服強(qiáng)度不小于835MPa，斷面伸長(zhǎng)率不小于12%，斷面收縮率不小于45%，沖擊功不小于63J。

扭矩由鍵傳遞，但必須保證聯(lián)軸器與軸在超速轉(zhuǎn)速時(shí)不分離，由得最小單邊緊量為：

因此單邊緊量范圍為0.0114～0.197mm，換算成雙邊緊量（直徑緊量）為0.023～0.396mm。

注意，以上是按平面應(yīng)力計(jì)算，且沒(méi)考慮法蘭盤的影響，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果一并列出（表2）。

表2 結(jié)果匯總

實(shí)際上，熱套聯(lián)軸器的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1

法蘭盤位置的結(jié)果與聯(lián)軸器的結(jié)果相差較大。

緊量建議取范圍中間的數(shù)值：0.125～0.362mm。

3 考核標(biāo)準(zhǔn)

一般的，額定工況下，轉(zhuǎn)軸剪切應(yīng)力安全系數(shù)不小于4，圓鍵剪切應(yīng)力安全系數(shù)不小于2，圓鍵擠壓應(yīng)力安全系數(shù)不小于2；兩相短路工況下，轉(zhuǎn)軸剪切應(yīng)力安全系數(shù)不小于1，圓鍵剪切應(yīng)力安全系數(shù)不小于1，圓鍵擠壓應(yīng)力安全系數(shù)不小于1。

4 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)軸器端面和外圓的加工精度要求較為嚴(yán)格，為保證材料零缺陷，聯(lián)軸器單件加工前、加工后均須按照國(guó)家機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)探傷檢驗(yàn)。聯(lián)軸器應(yīng)設(shè)計(jì)有頂絲孔以方便裝拆，還應(yīng)設(shè)計(jì)平衡螺釘孔以軸系平衡。與拖動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器也必須保證連接精度，才能確保機(jī)組整體安全連續(xù)地運(yùn)行。

（1）在計(jì)算分析中，要注意求解法蘭盤用平面應(yīng)力問(wèn)題、求解聯(lián)軸器用平面應(yīng)變問(wèn)題。

（2）由于法蘭盤和聯(lián)軸器在離心力作用下與軸的在等同的配合緊量下，由于二位置的剛度不同，其中產(chǎn)生的配合環(huán)向應(yīng)力也不同，應(yīng)給予關(guān)注。

（3）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果要以沿軸向等應(yīng)力設(shè)計(jì)，那么需要設(shè)計(jì)成沿軸向不同的配合緊量。