第1章 緒論
1.1 課題來源
彈性聯(lián)軸器是應(yīng)用廣泛的機(jī)械零部件，在工業(yè)生產(chǎn)，石油，化工，冶金等工業(yè)部門都有應(yīng)用，彈性聯(lián)軸器的使用狀況直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的安全及壽命問題，尤其是一些重要場合，彈性聯(lián)軸器的失效問題往往引起人們的極大關(guān)注，例如某公司的GKZ型內(nèi)燃機(jī)車采用MTU16V396TC14型柴油機(jī)做內(nèi)燃機(jī)。MTU柴油機(jī)與風(fēng)扇偶合器采用萬向軸來傳遞動力。為了緩和沖擊力，柴油機(jī)輸出軸與萬向軸聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器。0002#機(jī)車使用7年后，彈性聯(lián)軸器被剪斷，剪斷后的聯(lián)軸器如圖1.1所示。更換同種型號的彈性聯(lián)軸器后，使用未到一年又被剪斷，而同一型號的0001#，0003#機(jī)車使用時間以達(dá)9年，但彈性聯(lián)軸器依然完好如初。
內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)所使用的彈性聯(lián)軸器的工作特點(diǎn)與一般機(jī)械上的彈性聯(lián)軸器不同，柴油機(jī)起動時，動力由電機(jī)端通過輔助萬向軸經(jīng)彈性聯(lián)軸器傳到柴油機(jī)。聯(lián)軸器的工作耦合圖見圖1.2。一旦起動成功，則動力改由柴油機(jī)端傳入，經(jīng)彈性聯(lián)軸器與萬向軸輸出帶動電機(jī)。因此，萬向軸與彈性聯(lián)軸器工作狀態(tài)的耦合情況，特別是彈性聯(lián)軸器在短時間內(nèi)承受反轉(zhuǎn)扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動對彈性聯(lián)軸器的失效可能有重要的影響。機(jī)車柴油機(jī)輸出軸與萬向軸之間的彈性聯(lián)軸器的失效問題已成為急待解決的技術(shù)問題之一。因此，在對彈性聯(lián)軸器進(jìn)行一般性的研究基礎(chǔ)上，還需要研究聯(lián)軸器在不對中的工作情況下，扭矩輸入輸出方向反轉(zhuǎn)特性對其動力及強(qiáng)度特性的影響。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外對彈性聯(lián)軸器不對中情況的研究比較少，主要集中在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)的特征分析，還有不對中對聯(lián)軸器應(yīng)力的影響，以及疊片聯(lián)軸器和墊片聯(lián)軸器的力學(xué)模型的建立方面。
西安礦業(yè)學(xué)院的李明在文獻(xiàn)中，根據(jù)內(nèi)齒輪副的嚙合條件和拉格朗日方程，建立了轉(zhuǎn)子--齒輪聯(lián)軸器系統(tǒng)的彎扭耦合振動方程。對方程進(jìn)行數(shù)值積分求解。結(jié)果表明，對于不對中軸系會產(chǎn)生偶數(shù)倍頻的彎曲振動分量和奇數(shù)倍頻的扭轉(zhuǎn)振動分量。在文獻(xiàn)中，對不對中齒輪聯(lián)軸器連接的軸承--轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)分析，討論了齒輪聯(lián)軸器不對中力的組成。理論分析表明：齒輪聯(lián)軸器的不對中而產(chǎn)生的作用力是聯(lián)軸器內(nèi)齒套的慣性力和聯(lián)軸器內(nèi)阻尼共同作用的結(jié)果，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅與齒輪聯(lián)軸器的不對中量、內(nèi)阻尼、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和齒輪聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，用非線性穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示在彎曲振動中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會產(chǎn)生工頻的2,4,6,8，…等偶數(shù)倍頻分量；而在扭轉(zhuǎn)振動中會產(chǎn)生工頻的1,3,5,7，…等奇數(shù)倍頻分量，并且這些倍頻分量在齒輪聯(lián)軸器附近處表現(xiàn)得非常明顯。在文獻(xiàn)研究中，研究了由齒式聯(lián)軸器聯(lián)接的高速重載轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中時的動態(tài)特性，獲得了聯(lián)軸器在工作狀態(tài)及鎖定條件下系統(tǒng)對激勵力的動態(tài)響應(yīng)特征。陸傳榮等人在文獻(xiàn)中重點(diǎn)介紹了大轉(zhuǎn)矩彈性聯(lián)軸器研制中所進(jìn)行的靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、動態(tài)特性試驗(yàn)和靜態(tài)隔聲（結(jié)構(gòu)噪聲）的測試，以及試驗(yàn)設(shè)備和測試系統(tǒng)的研制。文中還介紹了測試的方法，這些試驗(yàn)設(shè)備自行研制成功，滿足了某船軸系彈性聯(lián)軸器測試要求。文獻(xiàn)從理論和試驗(yàn)兩方面，研究四種彈性聯(lián)軸器對柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不均勻性的衰減效果及衰減規(guī)律。主要分析聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度和輸入轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不均勻性的影響，為選擇和改進(jìn)彈性聯(lián)軸器提供科學(xué)依據(jù)。周慧英在文獻(xiàn)中，介紹了一種新型彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，并對聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、剛度進(jìn)行了分析，對聯(lián)接設(shè)計、金屬彈性元件的材料進(jìn)行了計算分析，謝華銀等人在文獻(xiàn)中在最新改進(jìn)研制成功的彈性聯(lián)軸器動態(tài)試驗(yàn)臺上，對進(jìn)口及國產(chǎn)的二大系列共九種橡膠彈性聯(lián)軸器在膠料硬度、橡膠內(nèi)容物、外形尺寸、試驗(yàn)頻率及溫度等影響動態(tài)特性的因素方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時對試驗(yàn)臺二項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。并首次應(yīng)用相似理論進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。
在文獻(xiàn)中，采用疊片聯(lián)軸器補(bǔ)償系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不對電研究了一種新型結(jié)構(gòu)疊片聯(lián)軸器——關(guān)節(jié)軸承式疊片聯(lián)軸器，引進(jìn)關(guān)節(jié)軸承，使得兩軸線之間的角不對中補(bǔ)償能力由1.00-1.50提高到40-60。分別用經(jīng)典力學(xué)和ANSYS有限元分析了3種不同尺寸規(guī)格關(guān)節(jié)聯(lián)軸器，得出應(yīng)力最大值所處的位置及3種規(guī)格關(guān)節(jié)聯(lián)軸所能補(bǔ)償?shù)慕遣粚χ械哪芰�，為關(guān)節(jié)聯(lián)軸器的設(shè)計提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)分析了疊片聯(lián)軸器使用中的軸向不對中特性，利用ANSYS中的功能模塊建立力學(xué)模型，結(jié)合約束方程的使用考慮了墊片預(yù)應(yīng)力對疊片受力分析的影響。軸不對中對疊片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力的影響強(qiáng)調(diào)了對疊片軸器膜片應(yīng)力進(jìn)行分析的必要性，用有限元程序?qū)δ撤N型號的膜片組進(jìn)行強(qiáng)度計算。給出在不同轉(zhuǎn)速和不同角不對中情況下的計算結(jié)果，并著重分析比較了這兩種因素變化對膜片應(yīng)力大小的影響及其影響程度，其結(jié)果對膜片組設(shè)計有參考價值。申屠留芳在文獻(xiàn)中，對鏈扳式疊片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力進(jìn)行了深入的討論，得出在轉(zhuǎn)矩和角不對中作用下的計算模型，并著重分析比較傳遞不同的功率、兩軸線間產(chǎn)生不同的角不對中對膜片應(yīng)力的影響及其影響程度。計算結(jié)果對設(shè)計新型的疊片聯(lián)軸器有一定的參考價值。李靜等人在文獻(xiàn)中，建立了DBQ系列塔機(jī)臂架系統(tǒng)中銷軸聯(lián)接的三維實(shí)體有限元模型，分析了臂架不同位銷軸聯(lián)接的應(yīng)力分布情況，為該類型塔機(jī)聯(lián)接銷軸的疲勞設(shè)計、可靠性分析提供了數(shù)據(jù)。
橡膠類材料在工程中的應(yīng)用日益增加．由于橡膠材料在受力后，產(chǎn)生大位移、大變形，且材料本身是非線性的，而且在變形過程中其體積幾乎不變，因此有必要研究橡膠材料的有限變形彈性理論．有限變形彈性理論的重要課題之一就是提出合理而適用的本構(gòu)關(guān)系．很多作者提出了各種本構(gòu)關(guān)系。閏立平等在文獻(xiàn)中提出了一種簡單的橡膠材料本構(gòu)關(guān)系，通過對立方體單元的典型大變形分析，揭示了這類材料的大變形特征并得出了對材料常數(shù)的限制條件。1973年Knowles與Sternberg給出了一種本構(gòu)關(guān)系，并分析了裂尖場。針對像膠材料，采用高玉臣在1990年和1997年分別提出兩個本構(gòu)關(guān)系，一個是將應(yīng)力偏量與靜水應(yīng)力分離，另一個是將拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分離。1990年高玉臣從形變與體積變的角度出發(fā)給出了一種本構(gòu)關(guān)系。1997年高玉臣從抗拉與抗壓角度出發(fā)，提出了第二個本構(gòu)關(guān)系。并利用這兩種本構(gòu)關(guān)系和分區(qū)思想及合理的變形模式，分別對裂紋、錐體、缺口、界面裂尖場等進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)利用文獻(xiàn)中的本構(gòu)關(guān)系分析了立方體單元的典型大變形。高玉臣等人利用這兩種本構(gòu)關(guān)系分析了橡膠楔體、橡膠缺口等典型問題. 北京航空航天大學(xué)的徐明在文獻(xiàn)提出了超彈性材料的新應(yīng)變能函數(shù)，并由此應(yīng)變能函數(shù)推導(dǎo)了橡膠類材料的非線性本構(gòu)關(guān)系。利用非線性最小二乘方法對多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合需三個材料常數(shù)就可以描述橡膠類材料高度的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
閏相橋在文獻(xiàn)中建立了一個橡膠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析模型。在該模型中，考慮了輪胎變形的幾何非線性、輪胎與地面和輪胎與輪輞的大變形非線性接觸、輪胎材料的非均勻性和物理非線性及橡膠基復(fù)合材料的各向異性。此外，此文還利用該模型研制的有限元分析軟件對全鋼絲子午胎的變形輪廓進(jìn)行了詳細(xì)的分析。趙慧娟等人在文獻(xiàn)通過拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及理論分析發(fā)現(xiàn)：在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)刃x伸長率達(dá)到286％時發(fā)生扭斷，在此之前無明顯局部化現(xiàn)象出現(xiàn)；相比較而言，單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中的試件在頸縮失穩(wěn)斷裂時標(biāo)距的最大伸長率僅為29％。因此，用實(shí)心圓柱的扭轉(zhuǎn)作為研究彈塑性材料在大變形特征下更為有效的基本實(shí)驗(yàn)，并通過數(shù)值模擬對在扭轉(zhuǎn)過程中彈性核演變的歷史進(jìn)行了分析。
梅力彪等人在文獻(xiàn)一文中建立了夾層橡膠支座在軸壓下有限元計算的簡化模型，并進(jìn)行了非線性有限元分析，研究了夾層鋼板的應(yīng)力重分布規(guī)律和軸壓破壞機(jī)理，軸壓承載力計算結(jié)果同已有的軸壓承載力試驗(yàn)結(jié)果符合較好。在文獻(xiàn)中建立橡膠復(fù)合材料層間疲勞破壞的數(shù)學(xué)模型，通過對疲勞機(jī)理的分析，確定了以脫層長度和裂紋密度表示的層間疲勞損傷演化的一般模式，利用指數(shù)法則建立了脫層長度和裂紋密度隨疲勞循環(huán)周次變化的關(guān)系，以等效六層的材料模型對循環(huán)載荷下的層間剪切應(yīng)力進(jìn)行了三維非線性有限元分析；根據(jù)疲勞損傷擴(kuò)展的階段性，引入分段系數(shù)，分別建立了平均應(yīng)變與載荷循環(huán)周次的分段線性模擬模型、有效剛度隨載荷循環(huán)周次的變化關(guān)系模型、裂紋密度變化和脫層長度變化關(guān)系隨載荷循環(huán)周次變化的分段線性模型以及疲勞裂紋密度和有效剛度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。在此基礎(chǔ)上，預(yù)報了疲勞裂紋密度和脫層長度隨疲勞載荷周期變化的疲勞損傷演化過程。
這些研究對于本課題的理論分析和計算機(jī)模擬都具有很好的指導(dǎo)作用。
1.3 本課題的研究內(nèi)容和方法
不對中是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最為常見的故障之一，在所測得的機(jī)械故障中，60％的故障與不對中有關(guān)。具有不對中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生一系列對設(shè)備有害的動態(tài)響應(yīng)，例如引起設(shè)備的振動、聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn)、軸承的磨損和油膜的失穩(wěn)、軸的撓曲變形等，危害極大．所以，對不對中情況的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．同時，由于設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的因素，以及材質(zhì)不均勻、制造安裝誤差等原因，實(shí)際轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時各微元質(zhì)量的離心慣性力組成一組不平衡力系。
因此，本文從第二章開始介紹了系統(tǒng)介紹了聯(lián)軸器的特點(diǎn)以及聯(lián)軸器的選擇，中間特別提到彈性聯(lián)軸器以及高彈性聯(lián)軸器。在第三章中通過引入彈性聯(lián)軸器的剛度及阻尼，對彈性聯(lián)軸器進(jìn)行了運(yùn)動分析和動力分析，計算出不對中對聯(lián)軸器的動態(tài)特性的影響。在第四章中利用力學(xué)中的應(yīng)力分析方法，分析了聯(lián)軸器在軸向不對中、徑向不對中、角向不對中以及綜合不對中狀態(tài)下的應(yīng)力情況。得出了四個不同位置時的最大主應(yīng)力，從而得出了各種不對中狀態(tài)產(chǎn)生的附加載荷的影響。在第五章中利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，考慮到聯(lián)軸器橡膠材料的非線性特性，在模擬幾種不同的不對中的情況時，都是進(jìn)行了大變形的非線性分析。得出了各種不對中狀態(tài)下的綜合位稱動圖、Von Mises 應(yīng)力動圖、Von Mises應(yīng)變動圖。從面更直觀地分析不對中對聯(lián)軸器工作狀態(tài)的影響。
本課題的研究對聯(lián)軸器的失效原因提出了合理的解釋，其結(jié)論對實(shí)際的安裝、調(diào)整、日常維護(hù)以及失效預(yù)防都有良好的指導(dǎo)意義。
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