考慮接觸剛度的燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子動力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶職業(yè)學(xué)院

考慮接觸剛度的燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子動力特性研究

作者/李冬梅，渤海船舶職業(yè)學(xué)院

燃?xì)廨啓C技術(shù)隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步日益發(fā)展和完善，在燃?xì)廨啓C中拉桿轉(zhuǎn)子是最重要的組成部分，拉桿轉(zhuǎn)子動力特性會影響到燃?xì)廨啓C整體的工作性能，本文探究了燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子的動力特性，從端面齒接觸剛度、粗糙表面接觸剛度和重型燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子的振動三個角度出發(fā)，探討影響燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子動力特性的原因，從而為提升燃?xì)廨啓C的工作效率奠定良好的基礎(chǔ)。

接觸剛度；拉桿轉(zhuǎn)子；燃?xì)廨啓C

1. 燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子動力特性概述

燃?xì)廨啓C技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善和發(fā)展，拉桿轉(zhuǎn)子在燃?xì)廨啓C的廣泛應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢，例如重量較小，容易冷卻，裝配操作起來較為簡單，在對材料的選擇上可以根據(jù)具體情況進(jìn)行取舍，眾多優(yōu)點導(dǎo)致了拉桿轉(zhuǎn)子的使用較多，但是在輪盤和磚頭中，通過一定的預(yù)緊力將轉(zhuǎn)子分割成了不同的部分，接觸面的狀態(tài)改變了拉桿轉(zhuǎn)子組合起來的動力特性，所以要考慮接觸關(guān)系和接觸剛度，在較小的壓力情況下可以運用相關(guān)的接觸剛度模型進(jìn)行分析接觸面的相互作用情況和塑性變形等，有限元數(shù)值方法比起建立模型法具有計算上的優(yōu)勢，所以在考慮接觸剛度中得到了較為普遍的運用，相關(guān)專家學(xué)者就利用有限元分析方法探索粗糙面和光滑面間的彈塑性法向接觸問題，并獲得了接觸面積、剛度硬化系數(shù)等屈服應(yīng)力等相關(guān)參數(shù)，從而能夠在接觸剛度問題上進(jìn)一步的比較和分析。由于實驗進(jìn)行的接觸面積和參數(shù)大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際生活中的工程結(jié)構(gòu)，所以在運用有限元分析法時也具有一定的局限性，計算量過大無法對單元節(jié)點進(jìn)行精確地計算和分析，將宏觀角度與未元體接觸剛度相結(jié)合，采取模擬實驗結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法，在考慮接觸剛度的情況下進(jìn)行拉桿轉(zhuǎn)子的動力特性研究，并且在重型燃?xì)廨啓C中要著重分析轉(zhuǎn)子的固有頻率對接觸剛度的作用和影響效果。

2. 拉桿轉(zhuǎn)子端面齒及接觸剛度分析

端面齒是將燃?xì)廨啓C的中心拉桿轉(zhuǎn)子的葉輪聯(lián)結(jié)起來，它的結(jié)構(gòu)是中心拉桿連接輪盤與軸頭，并通過中心拉桿給予一定的預(yù)緊力，從而使得端面齒拆裝簡易，傳遞扭矩效果較好，將所有葉輪準(zhǔn)確固定在該有的位置上，在特殊情況下也能夠保證所有零件的同心度，但是端面齒受到的預(yù)緊力分布不均勻，轉(zhuǎn)速變化也會產(chǎn)生較大的軸向力，較大程度上影響了轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和性能，影響整個燃?xì)廨啓C的工作效率。

接觸問題是機械工程中較為普遍的問題，因為涉及摩擦而變得十分復(fù)雜從而涉及到了高度非線性問題，在十九世紀(jì)就有相關(guān)專家學(xué)者完整地提出了彈性體的接觸問題，并形成一系列經(jīng)典的接觸理論，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了數(shù)值解法和接觸問題，人們發(fā)現(xiàn)有限單元能夠很好地解決這一系列復(fù)雜問題，成為解決接觸問題最有效最普遍的方法，包括數(shù)學(xué)規(guī)劃法、接觸約束算法和直接迭代法等。接觸問題一般包括兩種，一個及以上接觸面是剛體，這種接觸面的剛度較高；另一種接觸面都是變形體，接觸面的剛度相差不大。

運用接觸單元塑造一個接觸行為模型，即端面齒的有限元模型，當(dāng)剛性體與撓性體進(jìn)行接觸時，把彈性參數(shù)較大的一個座位目標(biāo)體，另一個彈性參數(shù)較小的作為接觸體，進(jìn)行等效剛度計算，假設(shè)端面齒在進(jìn)行接觸熱力處理，在齒牙與齒牙之間進(jìn)行載荷的接觸傳遞，由于端面齒的表面較為光滑，所以產(chǎn)生的摩擦很小，軸向預(yù)緊力在確保中心拉桿強度的同時不能過大，所以一般認(rèn)為接觸面與接觸面互相傳遞法向力。

3. 粗糙表面接觸剛度分析

運用模型法模擬出一個具有粗糙表面的界面層和一個具有光滑表面的界面層，兩者除了表面光滑粗糙有明顯不同之外，其他條件例如長度和厚度等因素都相同，用Kg表示光滑面，其計算公式為其中E代表材料模量，A代表接觸面積，L代表接觸長度。

模擬一個能夠體現(xiàn)粗糙表面狀態(tài)的長方體模型，將大小設(shè)定為0.5mm×0.2mm×0.2mm，并將這個模型作為一個微元，粗糙表面有關(guān)鍵點構(gòu)成，并且0是這個關(guān)鍵點的平均值，表面粗糙度取固定值，長度和寬度的間距設(shè)定為0.02mm，最好選擇理想彈塑性可以有較好的泊松比和屈服應(yīng)力，將四面體單元劃分為十個節(jié)點，同時減少剛體自由度的影響，需要將長方體的底面限制進(jìn)行位移，通過不同的實驗可以明顯發(fā)現(xiàn)法向界面接觸剛度受到壓力的增減影響，當(dāng)微元體的長度應(yīng)該包含的應(yīng)力壓力不能夠均勻分布時，接觸剛度會逐漸趨向于一個固定的數(shù)值，所以考慮了法向接觸剛度受到彈塑性變形的作用和影響。

法向界面接觸剛度可以發(fā)現(xiàn)在初始階段，隨著壓力的增長法向界面接觸剛度也增加，但是到達(dá)一個固定的頂點之后，就開始隨著壓力的增加而下降了，接觸面的具體狀態(tài)差異會使得法向界面接觸剛度略有差異，但是微元體變長后，能夠應(yīng)對應(yīng)力分布不均勻的情況，接觸剛度就會隨著壓力的變化而呈現(xiàn)一個定值狀態(tài)，就能夠獲得彈塑性對接觸剛度的影響大小。法向變形量隨壓力的變化曲線，利用長度為1mm的計算模型進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微凸體的載荷較小時，法向變形量變化較快，但當(dāng)壓力不斷增大時，法向變量反而放緩了增臟速度，當(dāng)達(dá)到一個極限值時，微凸體將應(yīng)力受力點分布集中起來，法向變形量迅速增大。

建立一個微元體模型要考慮它的長度和表面接觸面狀態(tài)等因素，再通過施加預(yù)緊力把底面固定住，在接觸面上進(jìn)行切向載荷從而分析接觸剛度，在這種切向載荷影響下，兩個接觸表面的切向位移有所差異，切向界面接觸剛度可以看出該模型在不同的載荷下接觸剛度和切向位移差的變化，當(dāng)載荷增加的時候，界面接觸剛度也隨之增加，當(dāng)切向應(yīng)力增大的時候，界面切向位移差也隨之增大，在一段時間內(nèi)達(dá)到一個固定值后增長速度變快，如果將微觀的實驗操作轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^實驗操作，會發(fā)現(xiàn)摩擦的兩個表面連接達(dá)不到預(yù)期效果。

4. 重型燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子振動分析

重型燃?xì)廨啓C的盤鼓是最重要的組成部分，無論是盤式轉(zhuǎn)子還是鼓式轉(zhuǎn)子，其拉桿轉(zhuǎn)子的剛度就較為良好，拉桿式轉(zhuǎn)子分為短拉桿連接、中心拉桿連接和周向長螺栓連接三種，通過接觸面和端面齒對接觸剛度進(jìn)行傳遞扭矩，由于拉桿式轉(zhuǎn)子主要是焊接結(jié)構(gòu)，所以一般不能進(jìn)行拆卸，重型燃機輪機一般是這種拉桿式轉(zhuǎn)子，輪盤與輪盤間的接觸面是較為平緩的一個狀態(tài)，中心拉桿即長拉桿結(jié)構(gòu)具有其特性，結(jié)構(gòu)較為單一，容易安裝，并且處于輪盤中心位置，運行起來產(chǎn)生的熱量小，溫度低，離心力也小，但是在預(yù)緊力的作用下會容易使端部輪盤軸向變形或者受力狀況不均勻，所以要注意端部輪盤的選擇上要使用厚度較大的材料，從而保證了輪盤和轉(zhuǎn)子的長時間正常使用。

在進(jìn)行實驗探究重型燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子工作效率時，利用負(fù)載運行實驗分析其受力情況獲得接觸面的應(yīng)力分布情況，考慮微元體的表面接觸剛度，通過實驗獲得橫截面之間的法向接觸剛度數(shù)值，一般使用切向彈簧替代法在有限元模型中進(jìn)行實驗操作和動力特性分析，在重型燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)動時，固有頻率是一項較為重要的影響因素。當(dāng)接觸剛度逐漸增加時，燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子的固有頻率受到的作用減小，并且越來越趨向于一個固定的數(shù)值，但是模型的粗糙表面明顯小于實際結(jié)構(gòu)的粗糙程度，所以得出的數(shù)值與實測值還是略有差異，輪盤間的接觸剛度也大于實際接觸剛度。為了提高透平段齒面與輪盤、拉桿間的接觸剛度，一般采用粘合接觸的方式，這時候彎曲振動頻率的變化量具有較大的改變，由原來的基準(zhǔn)值增大為數(shù)值的十倍左右，由此可以發(fā)現(xiàn)利用模型的實驗結(jié)果與實測結(jié)果還是存在一些差異。

兩個接觸面不同的粗糙程度造成的接觸剛度受到接觸面應(yīng)力水平和接觸面形態(tài)的影響。在重型燃?xì)廨啓C中進(jìn)行的振動頻率實驗可以發(fā)現(xiàn)，不同階的振動頻率具有明顯的差異，受到的界面接觸剛度影響也較為不同，第三階彎曲頻率受到的影響最小，對第一和第二階的彎曲頻率作用較大，這是因為第三階彎曲振型收到的剪切變形和壓氣段法向變形較小，呈現(xiàn)一種單懸臂局部振動狀態(tài)；第二階和第一階彎曲陣型受到的接觸面的剪切變形影響較大。

所以我們可以發(fā)現(xiàn)：在彈塑性理論的基礎(chǔ)上，利用長方微元體塑造一個具有粗糙表面的計算模型進(jìn)行實驗，通過有限元接觸分析，研究受力情況對接觸剛度的影響、法向和切向接觸剛度的影響因素是否包含載荷作用的影響，變形關(guān)系導(dǎo)致的受力情況等，這些研究和實驗為組合結(jié)構(gòu)動力分析創(chuàng)造了良好的前提條件，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了影響接觸剛度的因素。第二，將微觀與宏觀的實驗角度相結(jié)合，從整體的角度出發(fā)計算微元體的法向接觸剛度，注重與宏觀組織受力情況相結(jié)合，利用新型的組合結(jié)構(gòu)分析方法考慮接觸剛度，在拉桿轉(zhuǎn)動中明顯收到了轉(zhuǎn)子固有振動頻率的作用，并且這個固有頻率會因為接觸剛度而降低，接觸剛度越大，轉(zhuǎn)子固有頻率受到的影響越小，而且各階固有頻率受到的影響有所差異，第一階受到法向接觸剛度作用大，第二階受到切向接觸剛度的影響大。

＊ [1]李輝光，劉恒，虞烈，考慮接觸剛度的燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)自動力特性研究[J]，振動與沖擊，2012，31（7）：4—8

＊ [2]張青雷，陳堰芳，趙佰余，燃?xì)廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子的輪盤結(jié)合面接觸模型研究[J]，熱能動力工程，2014，29（5）：492—497

＊ [3]張青雷，程義悅，周向均布拉桿轉(zhuǎn)子接觸段剛度特性研究[J]，機械設(shè)計與制造，2015（2）：198—201