膜片聯(lián)軸器膜片承受的載荷及改進(jìn)措施

發(fā)布時間：2019-12-29

JM1J型接中間軸整體式膜片聯(lián)軸器的型號和尺寸，并結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對膜片聯(lián)軸器的要求進(jìn)行類比設(shè)計。安裝在風(fēng)電機(jī)組中的膜片聯(lián)軸器，要考慮風(fēng)機(jī)的運行條件、性、安裝、剎車、測速等要求。通常與齒輪箱高速軸聯(lián)接的左半聯(lián)軸器采用平鍵聯(lián)軸器并配有測速盤和剎車盤；膜片采用四連桿束腰型，每組兩片，單個膜片厚度為3mm左右；中間體采用絕緣的玻璃纖維樹脂結(jié)構(gòu)，并配有力矩限制器；與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸聯(lián)接的右半聯(lián)軸器采用無鍵聯(lián)軸器。
　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中幾乎每個機(jī)械零部件的設(shè)計都用到了有限元分析，尤其是有限元法提供的常用分析功能恰好與膜片設(shè)計中的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞等關(guān)鍵內(nèi)容吻合，以至于有限元分析成為膜片設(shè)計的基本內(nèi)容。在傳統(tǒng)膜片的設(shè)計中，實際結(jié)構(gòu)尺寸一般采用類比設(shè)計方法確定，然后用材料力學(xué)或彈性力學(xué)公式校核其強(qiáng)度和剛度，計算誤差和冗余較大。采用有限元靜力分析的方法對膜片進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析計算，可以檢驗?zāi)て欠襁_(dá)到強(qiáng)度要求，如不滿足，則需要加強(qiáng)并為膜片設(shè)計提出可行的改進(jìn)措施。因此利用有限元分析既可以構(gòu)件整體強(qiáng)度，又可以為減重等方面提供改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù)和建議。采用有限元疲勞分析方法可以靈活地預(yù)估膜片的疲勞壽命，可為膜片設(shè)計提供的理論指導(dǎo)。
　　對膜片進(jìn)行受力分析，膜片受到的載荷有：①扭距在膜片中產(chǎn)生的拉壓力，②由軸線偏斜而引起的彎矩，③螺栓與膜片質(zhì)量離心力，④膜片軸向位移引起的彈性推力，⑤螺栓預(yù)緊力。扭矩T使膜片產(chǎn)生的拉伸或壓縮壓力和質(zhì)量離心力應(yīng)力都隨轉(zhuǎn)速而變化。安裝運行工況時，①、②、④、⑤均屬于不變應(yīng)力。彎矩M使膜片產(chǎn)生彈性推力，且在軸每轉(zhuǎn)一圈時應(yīng)力循環(huán)變換一次。膜片聯(lián)軸器的主要失效不是由于膜片組件傳扭能力不足，而是膜片和螺栓在交變循環(huán)復(fù)合應(yīng)力作用下的疲勞所致。因此本章先計算膜片的強(qiáng)度，膜片的疲勞計算在下一章進(jìn)行。
　　膜片承受的轉(zhuǎn)矩主要靠主、從螺栓間膜片的拉壓受力傳遞。為了簡化計算，作以下基本假設(shè)：
　　①僅考慮傳遞扭矩引起的應(yīng)力；
　　②不計各膜片間微小的相對運動產(chǎn)生的表面剪力，即將所有膜片視為一整體；
　　③假定每個主動螺栓所受的力相等，該力沿驅(qū)動方向；
　　④在運行過程中，膜片端部保持平行。
　　膜片在運行過程中受到的是拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，以及在三向位移補(bǔ)償時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和高周循環(huán)疲勞應(yīng)力。為了適應(yīng)各種工況條件，理想的膜片材料應(yīng)具有：高抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；高和抗微動磨損能力。
　　通過在各種載荷情況下對膜片進(jìn)行靜強(qiáng)度分析計算，可以判斷所設(shè)計的膜片能否承受的載荷。從膜片的靜強(qiáng)度分析結(jié)果可知，膜片的應(yīng)力沒有超過給定材料的屈服強(qiáng)度，但是在膜片所受的載荷中，拉力和角位移都是變化的載荷。結(jié)構(gòu)或材料在受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然沒有超過材料的強(qiáng)度，甚至比彈性還低的情況下就可能發(fā)生破壞，疲勞破壞已經(jīng)成為引起結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。因此，單單分析各種載荷情況下的靜強(qiáng)度并不能確定一種設(shè)計方案是否合理，疲勞問題也是進(jìn)行膜片設(shè)計時要考慮的。利用有限元方法并借助于有限元分析計算軟件對膜片進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，可以比較地計算出各種載荷情況下膜片的應(yīng)力、應(yīng)變及位移狀況。并且在靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，再對膜片進(jìn)行疲勞分析，看它能不能滿足風(fēng)電機(jī)組20年的壽命要求。
　　疲勞累積損傷理論是疲勞分析的主要原理之一，也是估算變應(yīng)力幅值下疲勞壽命的關(guān)鍵理論。所謂損傷，是指在疲勞過程中初期材料內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化和后期裂紋的形成和擴(kuò)展。當(dāng)材料承受高于疲勞的應(yīng)力時，每個循環(huán)都使材料產(chǎn)生的損傷，每個循環(huán)所造成的平均損傷為1/N，這種損傷可以累積。損傷累積法認(rèn)為疲勞破壞對于材料的損傷是逐步累積起來的，它不是對材料造成的破壞，而是在長期的交變應(yīng)力的作用下對材料逐步形成微觀裂紋，裂紋產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集中，促使裂紋逐步擴(kuò)展由微觀變成宏觀，然后使得零件沿嚴(yán)重削弱的截面發(fā)生突然的脆性斷裂。