高速旋转联轴器的强度问题

李 文

（宁波大红鹰学院，宁波 315175）

高速旋转联轴器的强度问题

李 文

（宁波大红鹰学院，宁波 315175）

在建设高温气冷堆氦气透平发电项目过程中，能量转换单元一般使用联轴器，其作用在于将齿轮箱与氦气透平实施连接。基于此，本文利用CATIA三维设计软件建立联轴器装配模型，并在ABAQUS for CATIA计算软件的基础上实现联轴器应力的分析计算行为。研究结果表明，在选择联轴器材料过程中，首先需确保相关设备在使用时不会因材料的材质问题而运作失效。

联轴器 高速 强度 应力

引言

高温气冷堆氦气透平直接发电项目实质上是将高温气冷堆形成的高温氦气用其他方式直接导出，并将其中的热能变为机械能，再利用发电机将其变为电能，并传输到电网，用于公共供电。由于透平机械对热功率转换效率的影响，需要保证透平机额定转速，即不能过高也不能过低，因此本文使用的转速为15000r/min；若透平机处于超速状态，对应的转速则是18000r/min。针对其运作过程，笔者分析高度旋转联轴器的强度，了解何种材料能促使设备正常运作。

1 高速联轴器主要结构

高速联轴器在实际使用过程中，一般是将两个传动部件连接在一起，弥补系统中存在的结构形变和偏差等行为，实现部件间的动力工艺与运转。本文提及的高速旋转联轴器主要是连接氦气透平的减速箱及输出端的一种高速的轴端。基于联轴器的设计需求，第一步是确保设备运行过程中，两个传动部件间能够良好运转，之后需要让这一连接过程存在可靠性。在此过程中，联轴器将承担起联接时产生的严重载荷，以离心力与扭矩为主，尤其当设备在处于高速运转状态时，会使离心力的占比大大增加。为此本文研究的高速联轴器在制作过程中选择膜片式联轴器。而膜片式联轴器从构成上来看，其减速箱的高速轴端与联轴器的最左端相连，而右端则与中间段相连。测量结果显示，膜片式联轴器自身构成最大外径大小为249mm；当这一装置处于高速运作状态时，半联轴器右端会随之产生很强的离心应力。

同时在该项目中，相关能量转换单位的结构最下层是氦气透平，同时其对应的输出轴将直接连接高速旋转联轴，高速旋转联轴的上半部分直接连接减速箱位置；此结构中低速旋转联轴不仅与减速箱的上半部分连接在一起，还连接发动机。因为联轴器对应转速相对更高，同时外径已达到249mm，线速度也较高，所以应针对当前联轴器承受到的强度值展开分析研究，进而保证联轴器在高速环境中也可使用。

2 高速旋转联轴器强度分析模型构建

2.1 高速旋转联轴器三维模型建立

三维模型的建立，从本质上而言是借助计算机技术，将预期设计图纸的装置或零件在模拟状态下形成，便于前期研究或实施对应操作。基于本次研究中的半联轴器实际设计图纸，开始需将半联轴器模型设计构建与三维设计软件中，同时设计模型需要将螺栓加入其中，在软件装配设计平台的帮助下，实现联轴器的装配。这一过程中使用的三维设计软件则为CATIA。随后需要在装配图中加入螺母与螺栓，最终得到装配完好的联轴器模型。

2.2 高速旋转联轴器的有限元网格建立

对于联轴器单元而言，正常情况下会使用四面体单元，同时这一单元的大小为5mm，而螺母与螺栓的单元大小则为1.5mm。所以，在互联网技术的协助下，可有效使用ABAQUS for CATIA软件，借助这一软件中的自动划分工具，自动化生成三维实体模型有限元网格。此外在上述基础上，针对模型中所有设计零件，给予其旋转加速度18000r/min。对联轴器两端装置实施约束性固定，使零件实现三个转动及三个平动自由度。此外确保联轴器两个端面处于接触性约束状态。而基于设计图纸进行数据计算时，可以将所有材料的相关数据以钢材为标准进行计算，其中弹性模量大小为2×1011N/m2，同时其泊松比为0.266。此外在整个计算过程中，其采用的软件为ABAQUS 6.4，主要来源于CATIAV5 R17，因此结合CATIA V5 R17借口实现。而计算的核心内容及方式仍然以ABAQUS为主，这一计算方式目前通过多方机构实施严密考核，而作为一种被大众认可的商业程序，最终得出的结果也就与实际现状存在极大的相似性，因此具备可接受性。

3 高速旋转联轴器作用力计算结果

3.1 应力和应变分布

温度、湿度或受力等外因变化导致变形，使物体内部会产生很多互相作用的内力，从而将所有外力作用抵消掉，并在最大程度上让物体从变形位置还原至初始位置。在这一过程中，产生于某一单位面积上的内力就是应力。分析联轴器应力作用，研究联轴器实际Von Mises应力分布情况后可了解到，其最大值应为303MPa，位置则在最大外径螺栓的开口之处。一般情况下，内孔端存在的应力会高于其他内孔部位，而此处最大应力数值应为216MPa，相较外径最大应力而言低。基于上述内容可知，联轴器最为薄弱的部位是最大外径上螺栓开孔的部位。

3.2 扭矩的影响

在上述结论的基础上分析发现，上述研究未考虑扭矩对整个装置的影响。而出现这一现象的原因在于，ABAQUS for CATIA 软件在实施自动划分的过程中，主要考虑点载荷、压强、离心力和重力，无法估计模型所遭受的扭矩载荷。本文基于CATIA软件中接待的有限元分析模块，针对性计算出联轴器实际扭矩大小；同时就本次设计模型而言，

可直接增加扭矩作用。

若只考虑模型扭矩对装置产生的影响，可以在联轴器端部的接触位置增加一个扭矩作用力，为确保扭矩处于平衡状态，避免端部固支部位出现过大的应力，主要是由于实际运作过程中，此处的零件没有特定的固定约束装置，也就不会出现多大的应力，同时也就不会导致联轴器累出出现一个相反的扭矩作用。在这一过程中，所实际的扭矩应力，数值大小应控制为1273N/m。而这一数据来源于透平输出轴额定转速。计算过程中主要用到T=9550P/n，在这一公式中，T表示扭矩，单位为N/m；P代表功率，单位为kW。应力数值最大部位在内孔开槽，而这一部位不是依靠离心力得出的，所以不用考虑最大应力叠加作用产生的影响。同时由于最大外径与内孔端部应力水平不高，量级数值为1MPa，所以扭矩作用下产生的应力微乎其微。

3.3 螺栓预紧力的影响

螺栓位于联轴器最大外径，难免会对其产生一定的压力，同时这一部位又存在最大应力作用，所以螺栓预紧力必然会产生一定影响。同样使用CATIA软件中含有的有限元分析模块，进而计算、分析得出螺栓预紧力所产生的影响力。为进一步提升计算的速度、简化计算行为，仅仅对1/4个联轴器进行计算且实现了一个螺栓联接，同时联轴器两断口使用固支约束方式。本次研究的联轴器中，联接螺母与螺栓时，采用软件螺纹预紧的联接属性，可以直接将其看作是螺栓的加载方向以及预紧力。在计算实施过程中，螺栓预紧力大小为5000N。由于最大应力处于联轴器接触表面积螺栓之间的螺栓孔交界位置，同时最大应力数值为167MPa。

同时联轴器最大外径出存在的螺栓预紧力直接促使应力大幅度增加，达到离心力最大应力素质的1/2。当螺栓预紧力与离心力产生的应力作用累加到一起后，Von Mises最大应力值可达470MPa。在满足上述应力需求的基础上，对联轴器材料有进一步的要求，一般使用高强度合金材料，而普通钢材已经无法满足较大应力需求。

4 结语

基于高速旋转联轴器设计图纸，在CATIA软件的帮助下构建联轴器三维模型，同时借助ABAQUS for CATIA软件将联轴器的旋转离心力作用下的应力数值计算出来，而此处最大的Von Mises应力值达到303MPa，其位置在联轴器最大外径出的螺栓开口处。由于联轴器自身构造决定，其具备螺栓预紧力与扭矩应力，而这一应力在计算过程中需要使用CATIA软件中携带的有限元分析平台。同时扭矩作用下的最大Von Mises应力值处于1MPa数量级，此时最大应力往往不在联轴器最外侧。而螺栓预紧力产生的最大Von Mises应力值为167MPa，同样位于最大外径螺栓开孔位置。而两种作用应力处于同一位置后，叠加起来产生的最大应力达到470MPa。唯有使用高强度合金材料，才能确保联轴器的正常使用，确保材料使用不失效。

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Strength of High Speed Rotating Coupling

LI Wen
(Ningbo Dahongying University, Ningbo 315175)

In the process of building a high temperature gas cooled reactor helium turbine power generation project, the energy conversion unit generally use the coupling, which is the role of the gear box and the helium turbine to implement the connection. Based on this, this paper uses CATIA 3D design software to establish the coupling assembly model, and based on the for CATIA ABAQUS calculation software to realize the analysis and calculation of the coupling stress. The research results show that in the process of selecting the coupling material, first of all, it is necessary to ensure that the relevant equipment in use will not be operational failure due to material problems.

coupling, high speed, strength, stress

宁波大红鹰学院2015年校科研基金项目“基于YLD凸缘联轴器的有限元分析及优化设计”（1320151082）。