圓環(huán)型聯(lián)軸器膜片的分析研究

葉濤

[摘 要]本文介紹了膜片聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并對其膜片的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)合某公司新型圓環(huán)型聯(lián)軸器膜片，利用ANSYS軟件分別對不同工況下的膜片進(jìn)行應(yīng)力分析。并對結(jié)果進(jìn)行分析比較，找出對膜片應(yīng)力影響最大的因素，并且定性分析膜片的應(yīng)力最大區(qū)域，研究結(jié)果為膜片的疲勞壽命計算提供了參考，為膜片的設(shè)計和安裝提供了理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]膜片聯(lián)軸器 應(yīng)力分析 圓環(huán)型膜片

中圖分類號：TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）16-0124-01

1 工程背景

聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩軸，傳遞扭矩的一種機(jī)械裝置，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。膜片聯(lián)軸器是其中應(yīng)用最廣泛的，其靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬元件撓性聯(lián)軸器，其強(qiáng)度高、壽命長，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點，適用于高溫、高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動[1]。

膜片聯(lián)軸器主要由膜片組、法蘭盤和連接螺栓組成[2]。文中根據(jù)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和工作特點，針對工程中常見的圓環(huán)型膜片，采用ANSYS軟件對不同工況下的膜片進(jìn)行分析計算。

2 膜片的應(yīng)力分析

具體工況可分為下面三種情況：

（1）轉(zhuǎn)矩傳遞引起的薄膜應(yīng)力

在膜片的8個對稱的螺栓中，4個為主動螺栓，4個為從動螺栓，膜片聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩T時，主動螺栓帶動從動螺栓，假設(shè)每個螺栓所受的力大小相等，螺栓分布圓的直徑為D，則每個螺栓所受的力F=T/2D，根據(jù)力的作用相互性原理，每個螺栓對膜片孔的作用力F=T/2D，對于所分析的1/4膜片而言，其方向沿著分布圓切線方向作用于中間螺栓孔一側(cè)中部，分析時，須固定其軸向位移和徑向位移[3]。

（2）離心慣性力產(chǎn)生的離心應(yīng)力

膜片聯(lián)軸器常用于聯(lián)接兩個高速旋轉(zhuǎn)的軸，而高轉(zhuǎn)速機(jī)械的離心慣性力在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算中十分重要，其離心慣性力可近似等于徑向單位體力。

即

式中r為半徑、n為軸的轉(zhuǎn)速、為膜片材料密度。固定中間螺栓孔的軸向位移、徑向位移和周向位移。

（3）軸向變形引起的膜片彎曲應(yīng)力

在聯(lián)軸器安裝時，膜片沿軸線方向由于安裝誤差會產(chǎn)生一定的偏移，因此膜片在工作時會發(fā)生彎曲變形。此種狀態(tài)下，位移加載在中間螺栓孔處的軸線方向，徑向位移和周向位移固定。

3 有限元方法求解和實例計算

3.1 技術(shù)參數(shù)

下面對某公司新型膜片聯(lián)軸器的圓環(huán)型膜片進(jìn)行不同工況條件下的有限元分析，其技術(shù)參數(shù)如下：

（1） 單個膜片的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其中膜片厚度為0.5mm。

（2）膜片的數(shù)量為20層。

（3）聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速n=3650r/min，傳遞功率450kw。

（4）膜片材料采用耐高周疲勞的0Cr18Ni92/3H不銹鋼片。

3.2 應(yīng)力結(jié)果計算

3.2.1 轉(zhuǎn)矩傳遞引起的膜片應(yīng)力

聯(lián)軸器通過20層膜片上的8個螺栓將轉(zhuǎn)矩從一端傳遞到另一端。通過ANSYS仿真可得，轉(zhuǎn)矩作用下，最大Mises應(yīng)力，發(fā)生在中間螺栓孔的內(nèi)邊緣，扭轉(zhuǎn)作用下的最大主應(yīng)力，同樣發(fā)生在中間螺栓孔的內(nèi)邊緣。

3.2.2 離心力作用下的膜片應(yīng)力

離心力作用下的膜片Mises應(yīng)力，最大Mises應(yīng)力，發(fā)生在中間螺栓孔內(nèi)邊緣，離心力作用下的膜片最大主應(yīng)力也發(fā)生在中間螺栓孔內(nèi)邊緣，其值。

3.2.3 軸向變形引起的膜片彎曲應(yīng)力

聯(lián)軸器的安裝誤差及軸向位移引起膜片的彎曲變形，軸向變形所應(yīng)起的膜片最大Mises應(yīng)力，發(fā)生在中間螺栓孔的內(nèi)邊緣，如圖1所示，最大主應(yīng)力也發(fā)生在該處，其值。

4 結(jié)果分析

將上述分析結(jié)果總結(jié)成表1，可以看出，軸向位移引起的彎曲應(yīng)力最大，離心慣性力產(chǎn)生的離心應(yīng)力最小，其最大值即膜片危險點均出現(xiàn)在中間螺栓孔的邊緣[4]，這與我們平時常見的膜片損壞結(jié)果是相一致的。

5 結(jié)論

本文對膜片受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并使用有限元軟件ANSYS對某公司新型聯(lián)軸器膜片進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在不同工況下，軸向變形引起的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)大于離心力和轉(zhuǎn)矩引起的應(yīng)力，而且這個應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔的邊緣，并且是隨著聯(lián)軸器的旋轉(zhuǎn)而不斷的交替變化的交變應(yīng)力，很容易引起膜片的疲勞破壞，所以，在聯(lián)軸器的設(shè)計中，要重點考慮彎曲變形引起的疲勞破壞，而且還要采取能使應(yīng)力分布更加均勻的措施，此外，在聯(lián)軸器的安裝時，要盡量減小軸向安裝偏差。

參考文獻(xiàn)

[1] 王艷國，周瑞平.船用膜片聯(lián)軸器的膜片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[C].//第四屆全國船舶與海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集.2009：107-111.

[2] 周新光，王理.復(fù)合材料聯(lián)軸器膜片的應(yīng)力分析[J].化工機(jī)械，2010，37（3）：343-346，366.

[3] 華軍，許慶余，張亞紅等.膜片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力計算及疲勞壽命分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（2）：203-206.

[4] 周標(biāo)，李琳.金屬撓性膜片聯(lián)軸器的動靜復(fù)合應(yīng)力分析[J].機(jī)械傳動，2009，33（4）：93-96.