【摘要】針對某汽輪發(fā)電機聯(lián)軸器，采用過盈和周向均布圓錐鍵的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，使之和軸共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩。采用有限元分析軟件ANSYS，采用Solid單元離散聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，建立聯(lián)軸器有限元仿真分析的實體模型，對模型施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，分析計算得出聯(lián)軸器與軸配合的緊量，聯(lián)軸器、軸和圓鍵的最大綜合應(yīng)力，并對聯(lián)軸器、軸和圓鍵進(jìn)行強度考核，為聯(lián)軸器的設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】汽輪發(fā)電機；聯(lián)軸器；緊量；強度

1、引言

聯(lián)軸器是機械傳動中一種常用軸系部件，在發(fā)電機運行中起著傳遞運動和扭矩的作用，如果在聯(lián)軸器和軸上有溝槽，并且聯(lián)軸器和軸是緊配合，聯(lián)軸器和軸上這些幾何形狀不連續(xù)和緊配合所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，在聯(lián)軸器和軸上引起較名義應(yīng)力大得多的局部應(yīng)力，因此必須對聯(lián)軸器和軸進(jìn)行強度校核。某汽輪發(fā)電機聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)采用過盈和周向均布圓錐鍵的聯(lián)結(jié)型式，根據(jù)非線性接觸理論，采用有限元分析方法，對聯(lián)軸器在扭矩作用下，根據(jù)聯(lián)軸器運行工況對其進(jìn)行靜強度分析。最后計算得出聯(lián)軸器與軸配合的緊量值，聯(lián)軸器、聯(lián)軸器、軸和圓鍵的應(yīng)力分布情況，同時進(jìn)行強度考核，結(jié)果證明聯(lián)軸器的設(shè)計符合強度要求。

2、機組主要設(shè)計參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速 3000轉(zhuǎn)/分

額定扭矩 5.7E8N.mm

最大兩相短路扭矩 3.9E9N.mm

軸材料屈服極限 σs1=750MPa

聯(lián)軸器材料屈服極限 σS2=1000MPa

圓鍵材料屈服極限 σS3=1000MPa

3、聯(lián)軸器與軸配合緊量計算

設(shè)聯(lián)軸器和軸的分離轉(zhuǎn)速為nf=4800轉(zhuǎn)/分。

在分離轉(zhuǎn)速下，軸和聯(lián)軸器的徑向的變形分布見圖3-1，聯(lián)軸器與軸配合處的半徑方向變形范圍為0.114mm～0.272mm。軸與聯(lián)軸器配合處的半徑方向變形范圍為0.139mm～0.157mm。考慮到加工誤差和應(yīng)力的影響，軸和聯(lián)軸器半徑方向上配合緊量范圍為0.15mm～0.23mm。

4、有限元分析計算

聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)和載荷具有載荷周期對稱的特點，取聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)的1/n建立有限元模型。聯(lián)軸器、圓鍵和軸采用接觸方式，在1/n之一邊界處施加周期對稱約束。在聯(lián)軸器的法蘭外圈上加扭矩，并對整個模型施加3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速。聯(lián)軸器的強度計算考核額定運行和兩相短路兩種工況

4.1額定工況有限元分析結(jié)果

額定工況下計算結(jié)果，聯(lián)軸器最大綜合應(yīng)力為503MPa，應(yīng)力分布見圖4-1；軸最大剪應(yīng)力為33MPa，應(yīng)力分布見圖4-2；圓鍵最大剪應(yīng)力為29MPa，應(yīng)力分布見圖4-3。

4.2兩相短路工況有限元分析結(jié)果

兩相短路工況下計算結(jié)果，聯(lián)軸器最大綜合應(yīng)力為758MPa，應(yīng)力分布見圖4-4；軸最大剪應(yīng)力為351MPa，應(yīng)力分布見圖4-5；圓鍵最大剪應(yīng)力為87MPa，應(yīng)力分布見圖4-6。

5、結(jié)論

1）在分離轉(zhuǎn)速4800轉(zhuǎn)/分下，軸和聯(lián)軸器直徑方向配合緊量范圍為0.3mm～0.46mm。

2）在軸和聯(lián)軸器直徑配合緊量為0.46mm時，軸、圓鍵和聯(lián)軸器各工況下的應(yīng)力和安全系數(shù)見下表5-1。

綜上所述，額定工況，聯(lián)軸器、軸和圓鍵的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)1.5，滿足強度要求；兩相短路工況，聯(lián)軸器、軸和圓鍵的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)1.0，滿足強度要求。

作者簡介

劉繼慧（1979-），2008年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)于哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品設(shè)計部從事大型發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度、振動分析工作，工程師。