聯軸器研究概述

tags:    時間:2014-03-07 10:42:08
聯軸器研究概述簡介
摘要:聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸,使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。本文主要介紹聯軸器的研究現狀及發展趨勢。尤其針對船用彈性聯軸器進行了系統的闡述。 關鍵詞:船;彈性;聯軸器……
聯軸器研究概述正文

摘要聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸,使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。本文主要介紹聯軸器的研究現狀及發展趨勢。尤其針對船用彈性聯軸器進行了系統的闡述。
關鍵詞:船;彈性;聯軸器;
 
1聯軸器的概況
聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸(主動軸和從動軸)使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。聯軸器由兩半部分組成,分別與主動軸和從動軸聯接。一般動力機大都藉助於聯軸器與工作機相聯接。
聯軸器可分為剛性聯軸器和撓性聯軸器。撓性聯軸器又分為無彈性聯軸器和有彈性聯軸器。無彈性這類聯軸器因具有撓性,故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件,故不能緩衝減振。常用的有凸緣聯軸器十字滑塊聯軸器、萬向聯軸器及齒式聯軸器等。彈性這類聯軸器因裝有彈性元件,不僅可以補償兩軸間的相對位移,而且具有緩衝減振的能力。彈性元件所能儲蓄的能量越多,則聯軸器的緩衝能力愈強;彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時零件間的摩擦功愈大、則聯軸器的減振能力愈好。這類聯軸器目前應用很廣,品種亦愈來愈多。常用的有滾子鏈聯軸器彈性套柱銷聯軸器彈性柱銷聯軸器星形彈性聯軸器梅花形彈性聯軸器輪胎聯軸器膜片聯軸器等。
 
2 聯軸器的發展趨勢
我國聯軸器的技術和生產主要經歷了三個階段。一是二十世紀五、六十年代以自力更生為主,配合各種機械設備的製造,配套製造一些聯軸器,功率較小,品種少,不成套。二是二十世紀七、八十年代,隨著對外開放,引進一些專利技術,也進口了各種機械設備,如引進奧地利蓋斯林格公司的蓋斯林格聯軸器,對這一技術的發展和在國內推廣應用起了關鍵作用。進口許多大型挖泥船及其它船舶,對大功率彈性聯軸器和彈性離合器的消化吸收和發展應用也起了很大作用。三是近十幾年來,各工業部門根據發展配套的需要,在原機械部機械院標準所的統一規劃下開展了一系列聯軸器的標準化工作,進行了大量基礎標準和產品標準的工作,為聯軸器的通用化、系列化、標準化發展打下了基礎。
 在國外,聯軸器的生產均以專業化為主,一般規模為中、小型,人員在數十至數百人,也有很多企業是全球性的,在世界各國有他們的生產、銷售和服務網點。也有一些聯軸器公司是大集團公司的一部分。這些聯軸器公司的共同特點是產品技術含量高,適應當前重機配套的技術需要,加工設備先進,鑄鍛件及液壓、電器元器件配套,管理先進,注重技術開發和技術進步。國內國營專業聯軸器生產廠不多,也有一些大型冶金設備、重型設備、鋼廠、電廠、造船廠有自已的工段式車間進行聯軸器的配套生產,而在汽車行業相對這些國營專業生產廠較多些。除此之外,小規模的民營企業較多,可以生產較為單一的產品。
  近年來聯軸器技術和應用發展趨勢有以下幾點:一是對聯軸器質量要求的不斷提高,這就對原材料、加工與裝配工藝,產品的過程和最終檢驗的要求大大提高。二是與主機、負載綜合分析和配套。如工程機械、車輛、船舶動力傳動,都需要聯軸器的特性與發動機和負載機械特性進行系統分析,從而進行聯軸器的最佳選擇。三是隨著主機要求的變化以及技術發展的需要,對聯軸器的技術發展和技術開發更為重視。四是聯軸器本身的配套向專業化發展。如離合器、制動器的摩擦材料、聯軸器的彈性元件,離合器、制動器的液壓、氣動和電器元件,甚至鑄鍛件、熱處理和標準件均更趨專業化配套。聯軸器是機械通用零部件的重要組成部分,是量大面廣的機械零部件,適用於冶金礦山、交通運輸、工程機械、航天航空、船舶機械、輕工紡織等行業。其功能主要是傳遞運動和動力,由於其使用場合的不同,因此其傳遞範圍小到幾個牛米,大到數萬千牛米,其轉速範圍小到數轉每分,大到數萬轉每分。以離合器和聯軸器例,由於不同的使用要求以及其技術的發展,它們的種類和型式多樣,以適應不同的需求。
 
3聯軸器存在的問題
近年來因為伺服電機行業的快速發展,適應高速和高精度控制的需求越來越被誇大。聯軸器越來越多的應用於通過伺服系統控制的機械上面。聯軸器在這些領域和一般的製造機械不同的是,必需要求輸出相對於輸入具有很高的追隨性。
最近聯軸器被越來越多地被應用在機床和半導體系體例造機械等通過伺服系統控制的精密機械上。在這些領域裡,和一般的製造機械不同的是,聯軸器必須要求其輸出相對於輸入具有很高的追隨性。
特別是在要求高頻率正逆轉,高精度定位以及20000r/min以上的高速旋轉的工作機床上使用時,聯軸器除了本身必需具備高剛性外,還必須具有能耐受反覆扭轉負載的高彈性疲憊限度的能力,以適應高速運轉。
因此,聯軸器本來必需具備高扭矩剛性、零迴轉間隙、彈性體補償製造機械在傳動過程中兩軸所產生的徑向、軸向、角向偏差、順時針與逆時針迴轉特性相平等特點。過去,人們只是將聯軸器作為一個機械部件來考慮,但是,跟著使用聯軸器的機械裝置本身用途的多樣化,為達到更高的機能,對於聯軸器的熟悉,已經從一個單純的機械部件轉變為能左右整個機械系統機能的重要的機械要素。因此,光靠聯軸器廠家獨自的產品開發來知足用戶的要求也變得越來越難題。現在,用戶和廠家聯手合作,共同開發符合機械系統要求的聯軸器已經成為一種趨勢。聯軸器企業的自主創新能力不強是長久以來聯軸器行業面臨的老問題了,但是隨著汽車、工程機械等相關領域的飛速發展,對配套聯軸器的材質、性能、強度等方面的技術要求又上升了一個新台階,於是,創新能力這個問題變得更加突出了。目前,國際聯軸器產品的發展趨勢主要有以下幾方面首先,動力傳動聯軸器裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向發展,於是特殊聯軸器的應用、行星聯軸器裝置的發展、低振動、低雜訊聯軸器裝置的研製成了聯軸器設計方面的一些特點;其二,由於機械設備向大型化發展,聯軸器的工作參數提高了,如高速聯軸器的傳遞功率為1000-30000kw;第三,由於硬齒面聯軸器廣泛應用,以及高速、高性能要求的聯軸器日益增多,因此要求磨齒加工,在效率和質量上都要提高;此外,關於聯軸器材料與熱處理隨著便自面聯軸器的發展,也逐漸受到人們的重視。據中國聯軸器專業協會副會長王聲堂表示,目前我國聯軸器生產企業的產品在疲勞壽命與雜訊指標上與國外先進水平表現出來很大的差距,主要與材料和熱處理水平有很大關係。然而,我國大多數聯軸器生產企業基本沒有能力跟得上這些趨勢,只能重複低水平建設,在低端市場進行著低價競爭。隨著汽車工業、機械製造行業不斷升級,低端聯軸器市場很快就會出現飽和狀態,那時企業的經營風險將更大。此外,原材料的供應風險也應該引起關注,一方面,國內聯軸器鋼市場雖然表現平穩,但是價格呈現上漲趨勢。另一方面,聯軸器質量與性能提高的切入點在原材料上,國際聯軸器鋼的發展趨勢,一是含Cr,Ni,Mo的低合金鋼;二是硼鋼;三是碳氮共滲用鋼;四是易切削鋼。然而國內能提供高質量聯軸器鋼的特鋼企業數量較少,預計今後企業間的資源爭奪將變得更加激烈。

 

 
4 船用高彈性聯軸器
高彈性聯軸器被廣泛地應用在柴油機動力裝置中. 它設置在柴油機的輸出端,其功能在於:傳遞扭矩;調整傳動裝置軸系扭轉振動特性;補償因振動、衝擊引起的主、從動軸的中心位移;緩衝和吸振. 因此,起到了減振降噪的目的,從而起到保護主、從動機和整個傳動裝置運行可靠性的目的。因此廣泛的用於艦船的動力裝置、柴油發動機組、壓縮機組、柴油機試驗台架等。然而,高彈的應用也會給系統帶來新的問題和矛盾,其中扭振方面的問題比較突出。只有在應用中解決和協調好這些矛盾,才能保證整個裝置長期在良好的狀態下運行。
高彈聯軸器的性能。[1]
(1) 額定轉矩、最大轉矩、許用變動轉矩
額定轉矩是指聯軸器允許持續傳遞的轉矩,它應滿足動力裝置在持續工況下的平均轉矩. 最大轉矩是指聯軸器能夠滿足動力裝置在瞬態工況下(如:啟動、衝擊、通過臨界點等) 的工作轉矩. 許用變動轉矩是指高彈性聯軸器滿足在動力裝置持續工況下周期性扭轉振動的允許扭轉振動轉矩幅值. 該特性反映了高彈性聯軸器承受振動的能力,也是高彈性聯軸器的特徵技術性能之一.
(2) 動態扭轉剛度和阻尼係數
動態扭轉剛度C 以產生單位扭轉變形所需的扭矩表示,動態扭轉剛度可以調節軸系的自振頻率以實現避開共振的目的. 而阻尼係數反映聯軸器衰減振動的能力. 動態扭轉剛度和阻尼係數是動力裝置軸系扭振計算不可缺少的高彈性聯軸器的重要特徵技術性能參數.
(3) 許用軸向位移、許用徑向位移、許用角向位移
許用軸向、徑向、角向位移分別是允許高彈性聯軸器主、從動端相對端面軸向、徑向和角向(兩軸線成一定角度) 的偏移量。
3 項指標反映了高彈性聯軸器補償主、從動機兩軸端軸線位移的能力. 另外,還有重量尺寸、許用轉速等指標。
目前,高彈性聯軸器品種繁多。在船舶上廣泛應用的蓋斯林格型、伏爾康型和RATO 型等聯軸器均已形成標準化、系列化產品,基本滿足了各種船動力裝置的要求。金屬彈性聯軸器阻尼小,如果採用硅油增加阻尼,則增加了工藝的複雜性,造價高、維護困難. 某型船上應用的蓋斯林格聯軸器就發生了幾起故障事故。而橡膠元件易老化,耐油性和耐高溫差的缺點也影響了它的使用範圍。如日本報道的橡膠元件聯軸器損壞較多。主要有扭振和減缸運行引起的扭矩變化使橡膠元件發熱(高達100 ℃) 而破損,發生衝擊時因螺旋槳慣性產生反扭矩使橡膠產生裂紋。橡膠複合材料之間的結合力對聯軸器整個的強度有影響,在使用中易發生疲勞破壞。
 
5 聯軸器的研究狀況
從全世界的範圍來看,目前聯軸器的研究主要集中在美國、中國、日本和德國等國家。大部分研究之集中在聯軸器的材料、結構、扭矩、阻尼等方面。通過研究以獲取更好的動態特性。
柴油機是‘種往複活塞式機械,其本質決定了這種裝置的軸系要長期承受著柴油機的扭振激勵作用,而高彈應用在這類裝置中的最重要目的就是降低軸系的扭轉自振頻率,來減小激勵對高彈後端軸系的影響(隔振效應),避免發生嚴重的共振。[2]
高彈性聯軸器的動態特性參數與彈性元件本身的硬度、彈性和阻尼等基本性能及結構特性有關,各參數之間存在著一定的聯繫和相互制約關係。當剛度值很大而阻尼值很小時,聯軸器的性能接近於剛性軸,振動和衝擊都將大大增加。當阻尼值很大而剛度值很小時,大部分能量都轉換為阻尼功,使得傳遞的扭矩大幅度減小,無法起到傳動作用。因此,必須使高彈性聯軸器的動態特性參數達到一定的優化匹配數值,才能使其既可以補償一定的相對位移,又可以消耗一定的振動能量,起到緩衝吸振的作用。因此,獲取高彈性聯軸器的動態特性參數便成為對其扭轉振動控制性能進行研究並在此基礎上進行聯軸器設計的關鍵。[3]這是目前研究的重點和方向。此外。新型聯軸器的結構研究也是近年來研究熱點。

References:
[1].  黃次浩, 林.A., 艦船高彈性聯軸器的應用及發展趨勢分析. 海軍工程大學學報, 2001(02): 第49-53頁.
[2].  劉靜宇, 高彈性橡膠聯軸器在柴油機動力傳動系統中的運用. 水利電力機械, 2002(04): 第45-46頁.
[3].  畢國軍. 2010, 哈爾濱工程大學.

  (杭州電子科技大學 機械工程學院 浙江 杭州 310018)

 

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