李 文

（寧波大紅鷹學(xué)院，寧波 315175）

高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器的強(qiáng)度問(wèn)題

李 文

（寧波大紅鷹學(xué)院，寧波 315175）

在建設(shè)高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電項(xiàng)目過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換單元一般使用聯(lián)軸器，其作用在于將齒輪箱與氦氣透平實(shí)施連接?；诖耍疚睦肅ATIA三維設(shè)計(jì)軟件建立聯(lián)軸器裝配模型，并在ABAQUS for CATIA計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器應(yīng)力的分析計(jì)算行為。研究結(jié)果表明，在選擇聯(lián)軸器材料過(guò)程中，首先需確保相關(guān)設(shè)備在使用時(shí)不會(huì)因材料的材質(zhì)問(wèn)題而運(yùn)作失效。

聯(lián)軸器 高速 強(qiáng)度 應(yīng)力

引言

高溫氣冷堆氦氣透平直接發(fā)電項(xiàng)目實(shí)質(zhì)上是將高溫氣冷堆形成的高溫氦氣用其他方式直接導(dǎo)出，并將其中的熱能變?yōu)闄C(jī)械能，再利用發(fā)電機(jī)將其變?yōu)殡娔埽鬏數(shù)诫娋W(wǎng)，用于公共供電。由于透平機(jī)械對(duì)熱功率轉(zhuǎn)換效率的影響，需要保證透平機(jī)額定轉(zhuǎn)速，即不能過(guò)高也不能過(guò)低，因此本文使用的轉(zhuǎn)速為15000r/min；若透平機(jī)處于超速狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速則是18000r/min。針對(duì)其運(yùn)作過(guò)程，筆者分析高度旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器的強(qiáng)度，了解何種材料能促使設(shè)備正常運(yùn)作。

1 高速聯(lián)軸器主要結(jié)構(gòu)

高速聯(lián)軸器在實(shí)際使用過(guò)程中，一般是將兩個(gè)傳動(dòng)部件連接在一起，彌補(bǔ)系統(tǒng)中存在的結(jié)構(gòu)形變和偏差等行為，實(shí)現(xiàn)部件間的動(dòng)力工藝與運(yùn)轉(zhuǎn)。本文提及的高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器主要是連接氦氣透平的減速箱及輸出端的一種高速的軸端。基于聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)需求，第一步是確保設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)傳動(dòng)部件間能夠良好運(yùn)轉(zhuǎn)，之后需要讓這一連接過(guò)程存在可靠性。在此過(guò)程中，聯(lián)軸器將承擔(dān)起聯(lián)接時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重載荷，以離心力與扭矩為主，尤其當(dāng)設(shè)備在處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)使離心力的占比大大增加。為此本文研究的高速聯(lián)軸器在制作過(guò)程中選擇膜片式聯(lián)軸器。而膜片式聯(lián)軸器從構(gòu)成上來(lái)看，其減速箱的高速軸端與聯(lián)軸器的最左端相連，而右端則與中間段相連。測(cè)量結(jié)果顯示，膜片式聯(lián)軸器自身構(gòu)成最大外徑大小為249mm；當(dāng)這一裝置處于高速運(yùn)作狀態(tài)時(shí)，半聯(lián)軸器右端會(huì)隨之產(chǎn)生很強(qiáng)的離心應(yīng)力。

同時(shí)在該項(xiàng)目中，相關(guān)能量轉(zhuǎn)換單位的結(jié)構(gòu)最下層是氦氣透平，同時(shí)其對(duì)應(yīng)的輸出軸將直接連接高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸，高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸的上半部分直接連接減速箱位置；此結(jié)構(gòu)中低速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸不僅與減速箱的上半部分連接在一起，還連接發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)槁?lián)軸器對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速相對(duì)更高，同時(shí)外徑已達(dá)到249mm，線速度也較高，所以應(yīng)針對(duì)當(dāng)前聯(lián)軸器承受到的強(qiáng)度值展開(kāi)分析研究，進(jìn)而保證聯(lián)軸器在高速環(huán)境中也可使用。

2 高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器強(qiáng)度分析模型構(gòu)建

2.1 高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器三維模型建立

三維模型的建立，從本質(zhì)上而言是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，將預(yù)期設(shè)計(jì)圖紙的裝置或零件在模擬狀態(tài)下形成，便于前期研究或?qū)嵤?duì)應(yīng)操作。基于本次研究中的半聯(lián)軸器實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙，開(kāi)始需將半聯(lián)軸器模型設(shè)計(jì)構(gòu)建與三維設(shè)計(jì)軟件中，同時(shí)設(shè)計(jì)模型需要將螺栓加入其中，在軟件裝配設(shè)計(jì)平臺(tái)的幫助下，實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器的裝配。這一過(guò)程中使用的三維設(shè)計(jì)軟件則為CATIA。隨后需要在裝配圖中加入螺母與螺栓，最終得到裝配完好的聯(lián)軸器模型。

2.2 高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器的有限元網(wǎng)格建立

對(duì)于聯(lián)軸器單元而言，正常情況下會(huì)使用四面體單元，同時(shí)這一單元的大小為5mm，而螺母與螺栓的單元大小則為1.5mm。所以，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的協(xié)助下，可有效使用ABAQUS for CATIA軟件，借助這一軟件中的自動(dòng)劃分工具，自動(dòng)化生成三維實(shí)體模型有限元網(wǎng)格。此外在上述基礎(chǔ)上，針對(duì)模型中所有設(shè)計(jì)零件，給予其旋轉(zhuǎn)加速度18000r/min。對(duì)聯(lián)軸器兩端裝置實(shí)施約束性固定，使零件實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)及三個(gè)平動(dòng)自由度。此外確保聯(lián)軸器兩個(gè)端面處于接觸性約束狀態(tài)。而基于設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，可以將所有材料的相關(guān)數(shù)據(jù)以鋼材為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，其中彈性模量大小為2×1011N/m2，同時(shí)其泊松比為0.266。此外在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，其采用的軟件為ABAQUS 6.4，主要來(lái)源于CATIAV5 R17，因此結(jié)合CATIA V5 R17借口實(shí)現(xiàn)。而計(jì)算的核心內(nèi)容及方式仍然以ABAQUS為主，這一計(jì)算方式目前通過(guò)多方機(jī)構(gòu)實(shí)施嚴(yán)密考核，而作為一種被大眾認(rèn)可的商業(yè)程序，最終得出的結(jié)果也就與實(shí)際現(xiàn)狀存在極大的相似性，因此具備可接受性。

3 高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器作用力計(jì)算結(jié)果

3.1 應(yīng)力和應(yīng)變分布

溫度、濕度或受力等外因變化導(dǎo)致變形，使物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多互相作用的內(nèi)力，從而將所有外力作用抵消掉，并在最大程度上讓物體從變形位置還原至初始位置。在這一過(guò)程中，產(chǎn)生于某一單位面積上的內(nèi)力就是應(yīng)力。分析聯(lián)軸器應(yīng)力作用，研究聯(lián)軸器實(shí)際Von Mises應(yīng)力分布情況后可了解到，其最大值應(yīng)為303MPa，位置則在最大外徑螺栓的開(kāi)口之處。一般情況下，內(nèi)孔端存在的應(yīng)力會(huì)高于其他內(nèi)孔部位，而此處最大應(yīng)力數(shù)值應(yīng)為216MPa，相較外徑最大應(yīng)力而言低?；谏鲜鰞?nèi)容可知，聯(lián)軸器最為薄弱的部位是最大外徑上螺栓開(kāi)孔的部位。

3.2 扭矩的影響

在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上分析發(fā)現(xiàn)，上述研究未考慮扭矩對(duì)整個(gè)裝置的影響。而出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于，ABAQUS for CATIA 軟件在實(shí)施自動(dòng)劃分的過(guò)程中，主要考慮點(diǎn)載荷、壓強(qiáng)、離心力和重力，無(wú)法估計(jì)模型所遭受的扭矩載荷。本文基于CATIA軟件中接待的有限元分析模塊，針對(duì)性計(jì)算出聯(lián)軸器實(shí)際扭矩大?。煌瑫r(shí)就本次設(shè)計(jì)模型而言，

可直接增加扭矩作用。

若只考慮模型扭矩對(duì)裝置產(chǎn)生的影響，可以在聯(lián)軸器端部的接觸位置增加一個(gè)扭矩作用力，為確保扭矩處于平衡狀態(tài)，避免端部固支部位出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力，主要是由于實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，此處的零件沒(méi)有特定的固定約束裝置，也就不會(huì)出現(xiàn)多大的應(yīng)力，同時(shí)也就不會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器累出出現(xiàn)一個(gè)相反的扭矩作用。在這一過(guò)程中，所實(shí)際的扭矩應(yīng)力，數(shù)值大小應(yīng)控制為1273N/m。而這一數(shù)據(jù)來(lái)源于透平輸出軸額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算過(guò)程中主要用到T=9550P/n，在這一公式中，T表示扭矩，單位為N/m；P代表功率，單位為kW。應(yīng)力數(shù)值最大部位在內(nèi)孔開(kāi)槽，而這一部位不是依靠離心力得出的，所以不用考慮最大應(yīng)力疊加作用產(chǎn)生的影響。同時(shí)由于最大外徑與內(nèi)孔端部應(yīng)力水平不高，量級(jí)數(shù)值為1MPa，所以扭矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)力微乎其微。

3.3 螺栓預(yù)緊力的影響

螺栓位于聯(lián)軸器最大外徑，難免會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的壓力，同時(shí)這一部位又存在最大應(yīng)力作用，所以螺栓預(yù)緊力必然會(huì)產(chǎn)生一定影響。同樣使用CATIA軟件中含有的有限元分析模塊，進(jìn)而計(jì)算、分析得出螺栓預(yù)緊力所產(chǎn)生的影響力。為進(jìn)一步提升計(jì)算的速度、簡(jiǎn)化計(jì)算行為，僅僅對(duì)1/4個(gè)聯(lián)軸器進(jìn)行計(jì)算且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)螺栓聯(lián)接，同時(shí)聯(lián)軸器兩斷口使用固支約束方式。本次研究的聯(lián)軸器中，聯(lián)接螺母與螺栓時(shí)，采用軟件螺紋預(yù)緊的聯(lián)接屬性，可以直接將其看作是螺栓的加載方向以及預(yù)緊力。在計(jì)算實(shí)施過(guò)程中，螺栓預(yù)緊力大小為5000N。由于最大應(yīng)力處于聯(lián)軸器接觸表面積螺栓之間的螺栓孔交界位置，同時(shí)最大應(yīng)力數(shù)值為167MPa。

同時(shí)聯(lián)軸器最大外徑出存在的螺栓預(yù)緊力直接促使應(yīng)力大幅度增加，達(dá)到離心力最大應(yīng)力素質(zhì)的1/2。當(dāng)螺栓預(yù)緊力與離心力產(chǎn)生的應(yīng)力作用累加到一起后，Von Mises最大應(yīng)力值可達(dá)470MPa。在滿足上述應(yīng)力需求的基礎(chǔ)上，對(duì)聯(lián)軸器材料有進(jìn)一步的要求，一般使用高強(qiáng)度合金材料，而普通鋼材已經(jīng)無(wú)法滿足較大應(yīng)力需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于高速旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器設(shè)計(jì)圖紙，在CATIA軟件的幫助下構(gòu)建聯(lián)軸器三維模型，同時(shí)借助ABAQUS for CATIA軟件將聯(lián)軸器的旋轉(zhuǎn)離心力作用下的應(yīng)力數(shù)值計(jì)算出來(lái)，而此處最大的Von Mises應(yīng)力值達(dá)到303MPa，其位置在聯(lián)軸器最大外徑出的螺栓開(kāi)口處。由于聯(lián)軸器自身構(gòu)造決定，其具備螺栓預(yù)緊力與扭矩應(yīng)力，而這一應(yīng)力在計(jì)算過(guò)程中需要使用CATIA軟件中攜帶的有限元分析平臺(tái)。同時(shí)扭矩作用下的最大Von Mises應(yīng)力值處于1MPa數(shù)量級(jí)，此時(shí)最大應(yīng)力往往不在聯(lián)軸器最外側(cè)。而螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的最大Von Mises應(yīng)力值為167MPa，同樣位于最大外徑螺栓開(kāi)孔位置。而兩種作用應(yīng)力處于同一位置后，疊加起來(lái)產(chǎn)生的最大應(yīng)力達(dá)到470MPa。唯有使用高強(qiáng)度合金材料，才能確保聯(lián)軸器的正常使用，確保材料使用不失效。

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Strength of High Speed Rotating Coupling

LI Wen
(Ningbo Dahongying University, Ningbo 315175)

In the process of building a high temperature gas cooled reactor helium turbine power generation project, the energy conversion unit generally use the coupling, which is the role of the gear box and the helium turbine to implement the connection. Based on this, this paper uses CATIA 3D design software to establish the coupling assembly model, and based on the for CATIA ABAQUS calculation software to realize the analysis and calculation of the coupling stress. The research results show that in the process of selecting the coupling material, first of all, it is necessary to ensure that the relevant equipment in use will not be operational failure due to material problems.

coupling, high speed, strength, stress

寧波大紅鷹學(xué)院2015年?？蒲谢痦?xiàng)目“基于YLD凸緣聯(lián)軸器的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)”（1320151082）。