第1章 緒論
1.1 課題來(lái)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(mén)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(wèn)題，尤其是一些重要場(chǎng)合，彈性聯(lián)軸器的失效問(wèn)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(chē)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(wàn)向軸來(lái)傳遞動(dòng)力。為了緩和沖擊力，柴油機(jī)輸出軸與萬(wàn)向軸聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器。0002#機(jī)車(chē)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(hào)的彈性聯(lián)軸器后，使用未到一年又被剪斷，而同一型號(hào)的0001#，0003#機(jī)車(chē)使用時(shí)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(chē)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(dòng)時(shí)，動(dòng)力由電機(jī)端通過(guò)輔助萬(wàn)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(jiàn)圖1.2。一旦起動(dòng)成功，則動(dòng)力改由柴油機(jī)端傳入，經(jīng)彈性聯(lián)軸器與萬(wàn)向軸輸出帶動(dòng)電機(jī)。因此，萬(wàn)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(shí)間內(nèi)承受反轉(zhuǎn)扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)彈性聯(lián)軸器的失效可能有重要的影響。機(jī)車(chē)柴油機(jī)輸出軸與萬(wàn)向軸之間的彈性聯(lián)軸器的失效問(wèn)題已成為急待解決的技術(shù)問(wèn)題之一。因此，在對(duì)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(duì)中的工作情況下，扭矩輸入輸出方向反轉(zhuǎn)特性對(duì)其動(dòng)力及強(qiáng)度特性的影響。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)彈性聯(lián)軸器不對(duì)中情況的研究比較少，主要集中在對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)的特征分析，還有不對(duì)中對(duì)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(dòng)方程。對(duì)方程進(jìn)行數(shù)值積分求解。結(jié)果表明，對(duì)于不對(duì)中軸系會(huì)產(chǎn)生偶數(shù)倍頻的彎曲振動(dòng)分量和奇數(shù)倍頻的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量。在文獻(xiàn)中，對(duì)不對(duì)中齒輪聯(lián)軸器連接的軸承--轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，討論了齒輪聯(lián)軸器不對(duì)中力的組成。理論分析表明：齒輪聯(lián)軸器的不對(duì)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(duì)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(xiàn)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(dòng)中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)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(dòng)中會(huì)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(duì)中時(shí)的動(dòng)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(duì)激勵(lì)力的動(dòng)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(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)和靜態(tài)隔聲（結(jié)構(gòu)噪聲）的測(cè)試，以及試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)的研制。文中還介紹了測(cè)試的方法，這些試驗(yàn)設(shè)備自行研制成功，滿(mǎn)足了某船軸系彈性聯(lián)軸器測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、剛度進(jìn)行了分析，對(duì)聯(lián)接設(shè)計(jì)、金屬?gòu)椥栽牟牧线M(jìn)行了計(jì)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)進(jìn)口及國(guó)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(dòng)態(tài)特性的因素方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)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(guò)程中產(chǎn)生的不對(duì)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(xiàn)之間的角不對(duì)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?duì)中的能力，為關(guān)節(jié)聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)疊片受力分析的影響。軸不對(duì)中對(duì)疊片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力的影響強(qiáng)調(diào)了對(duì)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(hào)的膜片組進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。給出在不同轉(zhuǎn)速和不同角不對(duì)中情況下的計(jì)算結(jié)果，并著重分析比較了這兩種因素變化對(duì)膜片應(yīng)力大小的影響及其影響程度，其結(jié)果對(duì)膜片組設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。申屠留芳在文獻(xiàn)中，對(duì)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(duì)中作用下的計(jì)算模型，并著重分析比較傳遞不同的功率、兩軸線(xiàn)間產(chǎn)生不同的角不對(duì)中對(duì)膜片應(yīng)力的影響及其影響程度。計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)新型的疊片聯(lián)軸器有一定的參考價(jià)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(xiāo)軸聯(lián)接的三維實(shí)體有限元模型，分析了臂架不同位銷(xiāo)軸聯(lián)接的應(yīng)力分布情況，為該類(lèi)型塔機(jī)聯(lián)接銷(xiāo)軸的疲勞設(shè)計(jì)、可靠性分析提供了數(shù)據(jù)。
橡膠類(lèi)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(xiàn)性的，而且在變形過(guò)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(jiǎn)單的橡膠材料本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)對(duì)立方體單元的典型大變形分析，揭示了這類(lèi)材料的大變形特征并得出了對(duì)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(chǎng)。針對(duì)像膠材料，采用高玉臣在1990年和1997年分別提出兩個(gè)本構(gòu)關(guān)系，一個(gè)是將應(yīng)力偏量與靜水應(yīng)力分離，另一個(gè)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(gè)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(duì)裂紋、錐體、缺口、界面裂尖場(chǎng)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(wèn)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(lèi)材料的非線(xiàn)性本構(gòu)關(guān)系。利用非線(xiàn)性最小二乘方法對(duì)多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合需三個(gè)材料常數(shù)就可以描述橡膠類(lèi)材料高度的非線(xiàn)性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
閏相橋在文獻(xiàn)中建立了一個(gè)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(xiàn)性、輪胎與地面和輪胎與輪輞的大變形非線(xiàn)性接觸、輪胎材料的非均勻性和物理非線(xiàn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)率達(dá)到286％時(shí)發(fā)生扭斷，在此之前無(wú)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(shí)標(biāo)距的最大伸長(zhǎng)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(guò)數(shù)值模擬對(duì)在扭轉(zhuǎn)過(guò)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(jì)算的簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行了非線(xiàn)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(jì)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(guò)對(duì)疲勞機(jī)理的分析，確定了以脫層長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)循環(huán)載荷下的層間剪切應(yīng)力進(jìn)行了三維非線(xiàn)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(xiàn)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(zhǎng)度變化關(guān)系隨載荷循環(huán)周次變化的分段線(xiàn)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(bào)了疲勞裂紋密度和脫層長(zhǎng)度隨疲勞載荷周期變化的疲勞損傷演化過(guò)程。
這些研究對(duì)于本課題的理論分析和計(jì)算機(jī)模擬都具有很好的指導(dǎo)作用。
1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容和方法
不對(duì)中是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最為常見(jiàn)的故障之一，在所測(cè)得的機(jī)械故障中，60％的故障與不對(duì)中有關(guān)。具有不對(duì)中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生一系列對(duì)設(shè)備有害的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，例如引起設(shè)備的振動(dòng)、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(duì)不對(duì)中情況的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．同時(shí)，由于設(shè)計(jì)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(xiàn)。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(kāi)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(guò)引入彈性聯(lián)軸器的剛度及阻尼，對(duì)彈性聯(lián)軸器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，計(jì)算出不對(duì)中對(duì)聯(lián)軸器的動(dòng)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(duì)中、徑向不對(duì)中、角向不對(duì)中以及綜合不對(duì)中狀態(tài)下的應(yīng)力情況。得出了四個(gè)不同位置時(shí)的最大主應(yīng)力，從而得出了各種不對(duì)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(xiàn)性特性，在模擬幾種不同的不對(duì)中的情況時(shí)，都是進(jìn)行了大變形的非線(xiàn)性分析。得出了各種不對(duì)中狀態(tài)下的綜合位稱(chēng)動(dòng)圖、Von Mises 應(yīng)力動(dòng)圖、Von Mises應(yīng)變動(dòng)圖。從面更直觀(guān)地分析不對(duì)中對(duì)聯(lián)軸器工作狀態(tài)的影響。
本課題的研究對(duì)聯(lián)軸器的失效原因提出了合理的解釋?zhuān)浣Y(jié)論對(duì)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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