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弹性联轴器对于扭转振动的贡献跟弹性联轴器动力特性分析

文章作者:巨泽联轴器   发布时间:2020-10-06
星形联轴器是机械产品轴系传动中较常见的连接部件。其功能是连接两轴共同回转以传递转矩和运动、补偿所连两轴相对位移和改变系统传递动力学特性。

一、弹性联轴器对于扭转振动的贡献

星形联轴器是机械产品轴系传动中较常见的连接部件。其功能是连接两轴共同回转以传递转矩和运动、补偿所连两轴相对位移和改变系统传递动力学特性。其应用范围设计国民经济的众多领域,是品种繁多、使用量大的通用基础部件。弹性联轴器作为航空发动机、减速器、动力装置或者功率吸收装置之间的连接结构,在实际工作中会遭遇因振动过大而造成事故发生。

弹性联轴器对于扭转振动的贡献主要在于联轴器中的弹性元件。这些弹性元件是用橡胶、聚氨醋和尼龙等材料制成。橡胶等非金属与金属材料相比具有如下优点:弹性模量范围大容易获得不同刚度的弹性元件;质量轻、内摩擦大、阻尼性能好、单位体积储存的变形能量多、无机械摩擦、无需润滑等。正是由于弹性材料的这些特性,尤其是弹性模量范围大,相比较金属材料,其刚度小弹性大的特点使其在轴系运转过程中,虽然对于横向和弯曲振动的减少有着巨大的贡献,但是也带来了扭转动振的增加。

由于前文所述,旋转机械在变速过程中,振动信号是一种非平稳信号,传统的傅利叶分析的方法不适用于分析这种情况的信号,所以,人们着手研究旋转机械扭转振动信号的特点,提出新的解决办法。

由于旋转机械的扭转振动的共同特点是:转速高,功率大。根据这一特点,寻找一种能够清晰、准确、适应转速变化的快速易和可靠的分析法。由于旋转机械在转动的过程中,虽然由于速度的变化导致每周旋转的时间存在不同,但是转轴每转一周所转过的角度都是360度,因此,根据这个特点,如果能够将时域的等时间间隔采样转换成等角度间隔的采样,那么无论转速如何变化,等角度采样间隔不变,转轴每转一周的采样点数仍然不变,这样就把转轴扭转振动的非平稳信号重新转化成平稳信号,利用傅利叶分析的方法重新适用起来,这种方法就是阶次分析的方法。

分析旋转机械的行为是动态信号分析的一个关键的应用。由于旋转机械产生与转速相关的往复振动和噪声信号。这些关系在动态信号分析中往往是不明显的,特别是在与转速相关联的时候。因此,阶次分析成为分析与转速有关的旋转或往复运动机械噪声与振动信号的关键技术,例如齿轮箱、汽轮机、联轴器和内燃机等旋转机械。所谓阶次,实质是转速的归一化。阶次成分是转速的振动谐波。阶是转速频率,m阶是n倍的转速。阶次成分就是转速的振动谐波以风扇齿轮为例,假设齿轮式25个齿,如果带动齿轮的转轴转速为一阶的话,那么齿轮就是25阶,而且不随转速的改变而改变。

二、弹性联轴器动力特性分析

在航空涡轮轴发动机的台架试验中,与功率吸收装置相联的转接套齿通过花键与弹性轴松动连接。如前所述,这种松动连接在可靠地传递功率的同时,与弹性轴一起在发动机和功率吸收装置之间起着隔离振动的作用。因为是花键连接,有时候甚至采用直齿的渐开线花键,其隔离振动作用需要有相应的结构保证才能发挥作用。如果在结构上安排不恰当,往往造成有害的振动。本节研究转接套齿的长度因素对其振动的影响,说明转接套齿在梅花形联轴器功能实现过程中不可忽视的作用。

在0~30000r/mn转速范围内长、短花键的响应幅值的比较。显然,在各转速下长转接套齿的响应幅值要明显大于短转接套齿的幅值。长转接套齿的长度大约是短转接套齿的24倍,而在30000r/mn转速下长转接套齿的不平衡响应幅值是短转接套齿的16倍以上。因此,对于转接套齿右端花键与弹性轴间的松动连接,在不平衡载荷作用下,转接套齿的长度因素显著地影响着这里的松动连接状态。也就是说,若转接套齿长度设计过长,花键连接是不足以补偿转接套齿和弹性轴之间的角度偏差的。

受弹性联轴器连接两轴状态的影响,松动花键连接由铰接形式向柔性连接甚至刚性连接形式转变。模拟这种变化,计算多种连接状态下的弹性联轴器连接轴系临界转速和振动形式。

在近似铰接状态下,以花键连接处的振动为主,带动转接套齿和弹性轴的刚体振动,随着连接刚度的增加,逐渐变化为包括转接套齿和弹性轴在内的整个连接轴系的弯曲振动。

在设计这种弹性联轴器时,一般是保证其在工作转速范围内不存在临界转速,因此转接套齿和弹性轴间的连接为松动连接,以实现弹性轴为浮动轴的设计概念。被连接两轴仅存在小的相对弯转变形是弹性联轴器的正常工作状态。由于设计不当,转子振动过大,导致相对弯转变形过大,这时松动连接转变为柔性连接,而这种改变有可能导致弹性轴动态特性的完全改变。

套齿花键弹性联轴器是航空发动机设计与试验中常用的结构,本文通过对弹性联轴器进行结构分析、动力特性计算、动力特性实验等工作,得到如下结论:1)为使弹性轴发挥浮动轴的作用,弹性轴两端的花键连接为松动连接。松动程度取决于花键的结构形式以及加工、装配情况。

2)转接套齿的结构形式影响着工作状态下花键连接的松动程度,若转接套齿过长,将会导致松动连接作用的失效。

3)若花键连接两轴存在较大的相对弯转变形,将导致松动连接转变为柔性连接,从而改变弹性联轴器的动力特性,并在发动机、减速器、动力装置或者功率吸收装置之间传递振动,并延长了两支承间的转轴长度,从而在较低的转速下产生较大的振动,危害轴系的运行。

4)弹性联轴器的动力特性实验证实了松动连接变化为柔性连接的存在,但在弹性联轴器的工作范围内存在弹性轴的弯曲型临界转速是不允许的。

5)允许有较大的相对弯转变形是确保套齿花键为松动连接的关键。


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