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彈性聯(lián)軸器對于扭轉振動(dòng)的貢獻跟彈性聯(lián)軸器動(dòng)力特性分析

文章作者:巨澤聯(lián)軸器   發(fā)布時(shí)間:2020-10-06
星形聯(lián)軸器是機械產(chǎn)品軸系傳動(dòng)中較常見(jiàn)的連接部件。其功能是連接兩軸共同回轉以傳遞轉矩和運動(dòng)、補償所連兩軸相對位移和改變系統傳遞動(dòng)力學(xué)特性。

一、彈性聯(lián)軸器對于扭轉振動(dòng)的貢獻

星形聯(lián)軸器是機械產(chǎn)品軸系傳動(dòng)中較常見(jiàn)的連接部件。其功能是連接兩軸共同回轉以傳遞轉矩和運動(dòng)、補償所連兩軸相對位移和改變系統傳遞動(dòng)力學(xué)特性。其應用范圍設計國民經(jīng)濟的眾多,是品種繁多、使用量大的通用基礎部件。彈性聯(lián)軸器作為航空發(fā)動(dòng)機、減速器、動(dòng)力裝置或者功率吸收裝置之間的連接結構,在實(shí)際工作中會(huì )遭遇因振動(dòng)過(guò)大而造成事故發(fā)生。

彈性聯(lián)軸器對于扭轉振動(dòng)的貢獻主要在于聯(lián)軸器中的彈性元件。這些彈性元件是用橡膠、聚氨醋和尼龍等材料制成。橡膠等非金屬與金屬材料相比具有如下優(yōu)點(diǎn):彈性模量范圍大容易獲得不同剛度的彈性元件;質(zhì)量輕、內摩擦大、阻尼性能好、單位體積儲存的變形能量多、無(wú)機械摩擦、無(wú)需潤滑等。正是由于彈性材料的這些特性,尤其是彈性模量范圍大,相比較金屬材料,其剛度小彈性大的特點(diǎn)使其在軸系運轉過(guò)程中,雖然對于橫向和彎曲振動(dòng)的減少有著(zhù)巨大的貢獻,但是也帶來(lái)了扭轉動(dòng)振的增加。

由于前文所述,旋轉機械在變速過(guò)程中,振動(dòng)信號是一種非平穩信號,傳統的傅利葉分析的方法不適用于分析這種情況的信號,所以,人們著(zhù)手研究旋轉機械扭轉振動(dòng)信號的特點(diǎn),提出新的解決辦法。

由于旋轉機械的扭轉振動(dòng)的共同特點(diǎn)是:轉速高,功率大。根據這一特點(diǎn),尋找一種能夠清晰、準確、適應轉速變化的易和的分析法。由于旋轉機械在轉動(dòng)的過(guò)程中,雖然由于速度的變化導致每周旋轉的時(shí)間存在不同,但是轉軸每轉一周所轉過(guò)的角度都是360度,因此,根據這個(gè)特點(diǎn),如果能夠將時(shí)域的等時(shí)間間隔采樣轉換成等角度間隔的采樣,那么無(wú)論轉速如何變化,等角度采樣間隔不變,轉軸每轉一周的采樣點(diǎn)數仍然不變,這樣就把轉軸扭轉振動(dòng)的非平穩信號重新轉化成平穩信號,利用傅利葉分析的方法重新適用起來(lái),這種方法就是階次分析的方法。

分析旋轉機械的行為是動(dòng)態(tài)信號分析的一個(gè)關(guān)鍵的應用。由于旋轉機械產(chǎn)生與轉速相關(guān)的往復振動(dòng)和噪聲信號。這些關(guān)系在動(dòng)態(tài)信號分析中往往是不明顯的,特別是在與轉速相關(guān)聯(lián)的時(shí)候。因此,階次分析成為分析與轉速有關(guān)的旋轉或往復運動(dòng)機械噪聲與振動(dòng)信號的關(guān)鍵技術(shù),例如齒輪箱、汽輪機、聯(lián)軸器和內燃機等旋轉機械。所謂階次,實(shí)質(zhì)是轉速的歸一化。階次成分是轉速的振動(dòng)諧波。階是轉速頻率,m階是n倍的轉速。階次成分就是轉速的振動(dòng)諧波以風(fēng)扇齒輪為例,假設齒輪式25個(gè)齒,如果帶動(dòng)齒輪的轉軸轉速為一階的話(huà),那么齒輪就是25階,而且不隨轉速的改變而改變。

二、彈性聯(lián)軸器動(dòng)力特性分析

在航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機的臺架試驗中,與功率吸收裝置相聯(lián)的轉接套齒通過(guò)花鍵與彈性軸松動(dòng)連接。如前所述,這種松動(dòng)連接在地傳遞功率的同時(shí),與彈性軸一起在發(fā)動(dòng)機和功率吸收裝置之間起著(zhù)隔離振動(dòng)的作用。因為是花鍵連接,有時(shí)候甚至采用直齒的漸開(kāi)線(xiàn)花鍵,其隔離振動(dòng)作用需要有相應的結構才能發(fā)揮作用。如果在結構上安排不恰當,往往造成的振動(dòng)。本節研究轉接套齒的長(cháng)度因素對其振動(dòng)的影響,說(shuō)明轉接套齒在梅花形聯(lián)軸器功能實(shí)現過(guò)程中不可忽視的作用。

在0~30000r/mn轉速范圍內長(cháng)、短花鍵的響應幅值的比較。顯然,在各轉速下長(cháng)轉接套齒的響應幅值要明顯大于短轉接套齒的幅值。長(cháng)轉接套齒的長(cháng)度大約是短轉接套齒的24倍,而在30000r/mn轉速下長(cháng)轉接套齒的不平衡響應幅值是短轉接套齒的16倍以上。因此,對于轉接套齒右端花鍵與彈性軸間的松動(dòng)連接,在不平衡載荷作用下,轉接套齒的長(cháng)度因素顯著(zhù)地影響著(zhù)這里的松動(dòng)連接狀態(tài)。也就是說(shuō),若轉接套齒長(cháng)度設計過(guò)長(cháng),花鍵連接是不足以補償轉接套齒和彈性軸之間的角度偏差的。

受彈性聯(lián)軸器連接兩軸狀態(tài)的影響,松動(dòng)花鍵連接由鉸接形式向柔性連接甚至剛性連接形式轉變。模擬這種變化,計算多種連接狀態(tài)下的彈性聯(lián)軸器連接軸系臨界轉速和振動(dòng)形式。

在近似鉸接狀態(tài)下,以花鍵連接處的振動(dòng)為主,帶動(dòng)轉接套齒和彈性軸的剛體振動(dòng),隨著(zhù)連接剛度的增加,逐漸變化為包括轉接套齒和彈性軸在內的整個(gè)連接軸系的彎曲振動(dòng)。

在設計這種彈性聯(lián)軸器時(shí),一般是其在工作轉速范圍內不存在臨界轉速,因此轉接套齒和彈性軸間的連接為松動(dòng)連接,以實(shí)現彈性軸為浮動(dòng)軸的設計概念。被連接兩軸僅存在小的相對彎轉變形是彈性聯(lián)軸器的正常工作狀態(tài)。由于設計不當,轉子振動(dòng)過(guò)大,導致相對彎轉變形過(guò)大,這時(shí)松動(dòng)連接轉變?yōu)槿嵝赃B接,而這種改變有可能導致彈性軸動(dòng)態(tài)特性的改變。

套齒花鍵彈性聯(lián)軸器是航空發(fā)動(dòng)機設計與試驗中常用的結構,本文通過(guò)對彈性聯(lián)軸器進(jìn)行結構分析、動(dòng)力特性計算、動(dòng)力特性實(shí)驗等工作,如下結論:1)為使彈性軸發(fā)揮浮動(dòng)軸的作用,彈性軸兩端的花鍵連接為松動(dòng)連接。松動(dòng)程度取決于花鍵的結構形式以及加工、裝配情況。

2)轉接套齒的結構形式影響著(zhù)工作狀態(tài)下花鍵連接的松動(dòng)程度,若轉接套齒過(guò)長(cháng),將會(huì )導致松動(dòng)連接作用的失效。

3)若花鍵連接兩軸存在較大的相對彎轉變形,將導致松動(dòng)連接轉變?yōu)槿嵝赃B接,從而改變彈性聯(lián)軸器的動(dòng)力特性,并在發(fā)動(dòng)機、減速器、動(dòng)力裝置或者功率吸收裝置之間傳遞振動(dòng),并延長(cháng)了兩支承間的轉軸長(cháng)度,從而在較低的轉速下產(chǎn)生較大的振動(dòng),危害軸系的運行。

4)彈性聯(lián)軸器的動(dòng)力特性實(shí)驗證實(shí)了松動(dòng)連接變化為柔性連接的存在,但在彈性聯(lián)軸器的工作范圍內存在彈性軸的彎曲型臨界轉速是不允許的。

5)允許有較大的相對彎轉變形是套齒花鍵為松動(dòng)連接的關(guān)鍵。


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