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具有冗余功能的高速膜盘联轴器总体方案

2020-07-02 15:29:53

具有冗余功能的高速膜盘联轴器总体方案

考虑到材料的轻质、强度重量比是影响膜盘性能的关键因素,因此本文初步选择密度较小、强重比高的Ti-1023作为膜盘联轴器的主要材料。

联轴器作为一个连接输入、输出轴的传动部件,其在传扭时,如果输入轴和输出轴偏斜、不对中,或者转轴受到瞬时冲击时,若柔性较小,会给两端的轴承支撑带来附加载荷,从而使转轴两端的轴承很容易失效,使用寿命大大降低。而膜盘联轴器在受到这些外载荷时,由于膜盘可以在高速状态下有较大的形变,通过自身的形变来抵消外载荷所带来的扭矩,从而给两端的轴承支撑带来的附加载荷很小,冲击也会小很多,从而延长轴承的使用寿命。。

因此,膜盘是整个联轴器中关键的部件,其设计的好坏是有两个因素决定的:一个是其要能够承受足够大的载荷,另一个是膜盘的柔性要很好[。对于提升承载能力而言,可以将膜盘的余量设计的较大,体现在结构上就是增加膜盘的厚度。然而,这样做一方面无疑会增加膜盘的刚性,由此给转轴两端轴承带来较大的附加载荷,另一方面,会增加膜盘联轴器总体的重量,从而影响膜盘联轴器整体的动态特性。因此,膜盘在设计时,在承载能力的制约条件下,需得出其柔性和重量的匹配,故应该综合考虑承载和柔性这两个矛盾因素,选择的折中方案。

冗余结构的设计原则

除了对关键件膜盘进行合理设计,另一个需要考虑是就是联轴器的稳定性 膜盘联轴器的应用场合,由于其一般用于航空设备及高精机械传动设备中,故需考虑如何在高速下设备及人员问题。如果联轴器在工作中,膜盘突然破裂,由于高速状态下离心力非常大,其飞溅的碎片会直接损坏周围的设备,造成很大的损失,在航空设备中,如果起联接作用的联轴器失效,会导致整个传动系统的失效,对人员会造成很大的威胁。因此,在设计膜盘联轴器时,即使在工作中膜盘破损,也应该对其他设备进行保护,并为整个联轴器留出运转时间。具有失效模式复杂、应力难以准确预计、早期排除失效困难等特点,故对其进行预防有很大困难。冗余技术通俗的来讲就是增加多余的设备。冗余设计是容错设计的一种,关于容错设计与冗余设计,有许多不同的说法。容错被定义为:系统或程序在出现特定的故障情况下,能继续正确运行的能力;冗余是指用多于一种的途径来完成一个规定功能。因此容错反映了产品或系统在发生故障情况下的工作能力,而冗余是指产品通过多种途径完成规定功能的方法和手段。从原理上讲,冗余作为容错设计的重要手段,其实施流程和原则也同样适用于其他容错设计活动。本文在设计时为膜盘联轴器增加了冗余结构,其作用主要有两个方面,一是防止膜盘破损时的飞溅造成对周围设备的损坏,二是当膜盘破损后暂时代替膜盘进行扭矩传递,为停止设备留出运转时间,。冗余结构的设计也有相关的原则,首先,由于这里的冗余采用的是非工作冗余,即在膜盘正常工作时,冗余结构是不工作的,为了其在膜盘正常工作时不会产生干涉,花键的间隙合理设置;其次,当膜盘失效后,冗余结构应有足够的强度能够短时间内接替膜盘传递扭矩,为设备停止留出运转时间;此外,由于膜盘联轴器常用在航空等领域,增加冗余结构势必会增加联轴器的重量,因此为了不过多的影响联轴器整体的动态性能,增设的冗余结构的重量要尽可能的轻。

2膜盘与相邻件之间的连接

膜盘不仅在功能上是联轴器的核心原件,从整体结构上看,因为其它所有的部件都与膜盘有直接的连接关系,其中包括膜盘与中间轴之间的连接、膜盘与护板之间的连接、膜盘与法兰之间的连接等。在膜盘与中间轴连接时,传统膜盘联轴器一般采用螺栓、键或过盈配合来连接,本文在设计膜盘时为了加工方便同时减小可能出现的附加应力,采用真空电子束焊接的方式将两者焊在一起,这样也可以为膜盘联轴器的整体结构减轻质量。电子束焊(EBW)具有冗余功能的高速膜盘联轴器总体方案一般是指在真空环境下,利用会聚的高速电子流轰击工件接缝,将电子动能转变为热能,使被焊金属熔合的一种焊接方法[]。其原理是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(2~300kV)加速电场作用下被拉出,并加速到很高的速度(0.3~0.倍光速),经磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化而达到焊接的目的。其之所以能一次焊透数百毫米,是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发,其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开,露出新的底面,电子束继续作用,过程连续不断进行,形成一条深而窄的焊缝。当用电子束焊时,一般是轴向焊,其配合应符合GB101-中H/P,或用径向焊,焊后应即时除应力,并进行超声(或X光)和着色检查。本文采用轴向焊接方法对膜盘和中间轴进行电子束焊接,焊后仍端面跳动要求,以防焊接偏斜和变形。

本章主要对具有冗余功能的膜盘联轴器总体方案进行了阐述。首先,对比传统膜盘联轴器的工作原理,分析了具有冗余功能的膜盘联轴器的工作原理;其次,根据膜盘联轴器工作状态下的设计要求,对其总体方案进行设计,为了得到轻质且性能优良的膜盘联轴器,初步选用了密度较小、强度重量比高的Ti-10V-2Fe-3Al材料;随后提出了对关键件膜盘进行设计时的基本原则,指出膜盘在设计时,应该综合考虑承载和柔性这两个矛盾因素,在承载能力的制约条件下,得出其柔性和重量的方案;为膜盘联轴器增加了冗余结构,并对该结构设计时的基本原则进行阐述,提出其设计时既不能对膜盘产生干涉,又可以在膜盘断裂后进行传扭,同时要其质量要足够轻;然后对膜盘与相邻件之间的连接进行了设计,膜盘与中间轴之间采用电子束焊接方式进行轴向焊接,而膜盘、护板和法兰之间通过螺栓连接在一起,得出具有冗余功能的膜盘联轴器的整体结构。