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联轴器的功率工况和弹性联轴器中的设计加工

文章作者:巨泽联轴器   发布时间:2020-08-20
弹性套柱销联轴器是联接两轴或轴和回转件,在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外,联轴器还能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及防护功能。

【一】、联轴器的功率工况

弹性套柱销联轴器是联接两轴或轴和回转件,在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外,联轴器还能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及防护功能。

按照联轴器的性能分类,联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器或称为固定式联轴器,这种联轴器虽然不具有补偿功能,但有结构简单、制造容易、不需要维护、成本低等特点;挠性联轴器中又分为无弹性挠性联轴器和带弹性元件挠性联轴器,前一类只具有补偿两轴相对位移的能力,后一类除具有补偿性能外,还具有缓冲和减振作用,但在传递转矩的能力上,因受弹性元件的强度限制,一般不及无弹性元件联轴器。

联轴器是机车驱动装置的关键部件,随着铁路机车车辆运行速度的提高,对联轴器的结构及性能提出了高的要求。自二十世纪六十年代中期以来,机车动车的运行速度大幅度提高,干线货运机车的构造速度为120160km/h,干线客运机车的构造速度为1601--250km/h,高速动车组的构造速度为200~300km/h,个别型号动车己达350km/h。为满足高速运行的经济指标,机车动车的功率也不断增大。三相异步交流电机在机车上的应用获得成功,使每台牵引电动机的功率由700~800kW增大到1200~1600kW。单电机转向架问世后,组合传动的牵引电动机,其功率就人了,如法国CC21000型电力机车,其牵引电动机的小时功率达3004kW。可见,传动装置为适应机车动车的需要而向高速、大功率发展成为必然的趋势。

近几年,我国轨道交通发展迅速,加快了机车车辆技术的发展。我国铁路客运已实现六次大提速,时速160km/h以上的线路延展里程达到1.4万公里,时速200km/h以上的线路延展里程达6003公里。重载运输得到发展,大秦线路大量开行1万吨和2万吨重载组合列车,将实现年运量3.0亿吨。

由此可以看出,随着铁路向着高速,重载的方向大力推进,大功率机车驱动技术是机车转向架研究的要点,为了满足铁路发展的需要,机车驱动装置满足高转速、大扭矩、大功率的性能要求,而其关键部件联轴器是驱动装置的决定性因素,也是设计的难点。

在大功率机车的驱动系统中,联轴器将电机的驱动力矩传递给主动齿轮。

联轴器与主动齿轮轴之间依靠端齿传递力矩。在高速、重载大功率的工况下,对联轴器提出了高的要求。要求联轴器在及其有限的空间内实现高转速运转和大扭矩的传递。

为了解决上述问题,现代交流大功率机车的驱动系统普遍采用将电机和齿轮箱合成的整体驱动系统,其联轴器采用膜片式弹性联轴器,如HXD1B.HXD3B等机车。联轴器的端齿齿形分布通常采用三种方式:十字型端齿,径向端齿,圆弧端齿,三种方式的齿形断面均为梯形。

在当前实际应用过程中,圆弧端齿主要有两种形式,一种是每对啮合的圆弧端齿盘分为凸齿元件和凹齿元件,另一种圆弧端齿是各圆弧端齿沿径向方向齿廓线的方向相同。后一种圆滑端齿相对于前一种,具有结构简单,制造方便等优点,可以采用成形杯形砂轮一次同时加工两相邻齿面,能够较大的提高圆弧端齿的制造加工效率。

圆弧端齿相对于其它几种齿形端面,则主要具有以下优点:高刚性,当齿与齿啮合时,轮齿间接触面是相当均匀连续的,而且齿盘有多少轮齿便有多少对齿接触面,接触面积大,因此齿盘就能承受较高的载荷而具有很高的刚性。

自动对心,由于端面弧齿盘的轮齿齿形由外向内沿其弧度均匀缩小,且轮齿以端齿盘的中心轴对称。在各齿向心力的作用下,两端齿盘实现自动对心。

此外,圆弧端齿弹性联轴器较前两种齿形具有结构紧凑、啮合精度高、传递力矩大,并便于设计、制造、安装等一系列优点。

因此,圆弧端齿弹性联轴器应用于我国引进的和谐号大功率机车转向架的驱动系统中。为地消化吸收驱动系统中圆弧形端齿弹性联轴器的结构特性,需进行深入研究其设计机理和制造技术。

【二】、弹性联轴器中的设计加工

由于设计、加工、装配等的需要,一个完整的旋转机械转子系统通常是由两个甚至三个以上的转子连接而成。航空发动机结构十分复杂,是一种典型的旋转机械,航空发动机上的转子间连接多采用套齿花键结构。在设计联轴器时先要确保能够可靠地传递如扭矩、轴向力、径向力等负荷,其次是应考虑被连接两轴在不共轴时也能够可靠工作,三是保证所有零件均能可靠地定中心和周向定位,具有良好的平衡性,并且拆装方便。

在涡轮螺桨发动机中,两端分别制有套齿花键的弹性轴连接发动机输出的动力轴和减速器的主动齿轮轴;在航空发动机零部件的台架试验中,常采用两端分别制有套齿花键的弹性轴连接动力输出和试验件转子;在航空涡轮轴发动机整机台架试验中,也是采用这种形式连接发动机动力输出轴和功率吸收装置,起着传递功率的作用。这种连接结构允许被连接两轴因刚性不足,加工误差,装配不善或有较大负荷作用以致二者同心度受影响时,发动机、减速器、动力装置或者功率吸收装置仍能可靠工作,因此常称为弹性联轴器。梅花型弹性联轴器中的弹性轴一般是细长的空心轴,具有良好的弹性,在传递功率的同时,还能够减弱减速器(增速箱)齿轮工作时角速度变化引起的扭转振动,避免引起转子的振动,在转子负荷突然改变时也能够起到缓冲的作用,以保护减速器或者动力输出装置。

除传递功率外,角度补偿是弹性联轴器的另一重要功能,也是较能反映弹性联轴器特点的功能。通过弹性联轴器的角度补偿作用能够实现发动机与减速器、动力装置或者功率吸收装置之间的振动隔离。实现角度补偿的关键结构是弹性联轴器中的花键连接,通常的花键连接分为松动连接和紧度连接两种,如果花键连接为松动连接,从理论上讲,这种连接类似于铰接形式,仅能传递扭矩而不能传递弯矩。在结构上一般是通过弹性轴两端花键连接的啮合侧隙和安装时确定的轴向位移量来实现这种松动连接,而且局限于被连接两轴仅有小的相对弯转变形的情况,松动连接可以补偿被连接两轴因制造、安装以及承载变形与温度变化等因素引起的径向、角向和轴向位移。紧度连接的联轴器通常称为刚性联轴器,如发动机中的压气机和涡轮转子的连接以及轮盘与轴间的连接等,紧度连接也常用于套齿安装齿轮或其它零件,一般不用在弹性联轴器中。

松动连接和紧度连接在轴系弯曲动力特性计算中的模化有较大的不同。对于松动连接,正常工作状态下的花键连接一般可简化为“铰接”式的计算模型,但由于实际工作的花键连接往往遭遇到存在较大相对弯转变形的连接轴系,这时的花键连接便由原来的“铰接”转变为柔性连接。这样,花键连接便成为一种非线性刚性的连接,其段刚性为零,而二段刚性一般需要通过试验确定。采用了松动连接这种花键连接形式的弹性联轴器在结构上保证连接轴系间只存在小的相对弯转变形,当然也可以通过采用膜片(盘)、鼓形花键等结构使得允许的相对弯转变形大。对于紧度花键连接,一般可直接简化为柔性连接,其连接刚度与所用的紧度和结构尺寸等有关。


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