高速电机转子联轴器强度计算精度探讨

张亮

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

总体上，转子结构主要由转轴、绕组、槽楔、护环、风扇、集电环、联轴器等装配而成，转子高速旋转时因离心力而受高机械应力，所以相关结构件的尺寸都应以紧凑为宜，以避免造成机械不平衡、热不平衡而导致的振动超标问题。热套形式的联轴器是通过圆键传递扭矩的，该型联轴器的扭矩传递结构属基本类型，在传递扭矩方面和实体轴有相近效果。联轴器为转子结构中的重要部位，在运行中负责传递原动机扭矩，机组额定运行时传递额定扭矩，要求能够承受短路扭矩。所以，设计时须对其结构进行应力分析，保证其结构应力符合强度要求。此外，联轴器还是与原动机对组的机械接口，为了机械连接的精准度要求，联轴器上的重要位置加工精度也必须满足相关设计方案尺寸和形位公差。最终结构的工艺实现应在完成联轴器结构应力计算、联轴器结构参数修正、使其能够满足实际工程允许产生的应力安全系数限制，从而确定转子联轴器的最终尺寸设计方案。

1 实际结构参数

为满足与拖动机机电连接要求，与汽轮机厂确定联接接口尺寸后再行分析计算，根据转轴与联轴器配合处直径布置联轴器和圆键的数量和长度（如表1）。

2 问题求解过程

计算联轴器的结构应力，修正联轴器的结构参数，使联轴器能够满足实际使用应力安全系数的要求以确定联轴器的最终设计尺寸，上述需要机电双方的正式书面确认证明，才能开展施工设计流程。

表1 基本数据表

对于厚圆筒结构属于弹性力学范畴，其中的二维平衡微分方程为：

那么，对于无中心孔的轴，变形和应力的解是：

对联轴器：

约束条件为：

其中，R1为热套配合半径，R2为联轴器外半径。解得

联轴器最大环向拉应力为：

也即单边紧量小于0.2mm，则安全系数大于2。

联轴器与轴的相互挤压应力为：

国有企业在财务管理预算监督过程中缺乏有效的监督的现象较为明显，尤其是财务管理部门对其下属单位的监督性不够，直接造成了国有企业经济效益的下降。国有企业及其下属单位属于一个不可分割的利益共同体，其下属单位的财务预算管理工作通常情况下监督的力度远远不足，其中，缺乏科学的规划、目前不明显是最为突出的问题，从而给国有企业的长足发展带来了严重的不利影响。

对于圆键，因为由其承受转轴上传递的扭矩，热套联轴器后，需要在圆键环形等距分布节圆钻孔。一般来讲，具有1:50的斜度，采用冷冻方法插入上序所钻的光孔，并按图纸技术要求对轴向实际位置进行调整。

举例说明：圆键材质为圆钢35CrMo，热处理后机械性能为抗拉强度不小于980MPa，屈服强度不小于835MPa，断面伸长率不小于12%，断面收缩率不小于45%，冲击功不小于63J。

扭矩由键传递，但必须保证联轴器与轴在超速转速时不分离，由得最小单边紧量为：

因此单边紧量范围为0.0114～0.197mm，换算成双边紧量（直径紧量）为0.023～0.396mm。

注意，以上是按平面应力计算，且没考虑法兰盘的影响，现将计算结果一并列出（表2）。

表2 结果汇总

实际上，热套联轴器的应力状态如图1所示。

图1

法兰盘位置的结果与联轴器的结果相差较大。

紧量建议取范围中间的数值：0.125～0.362mm。

3 考核标准

一般的，额定工况下，转轴剪切应力安全系数不小于4，圆键剪切应力安全系数不小于2，圆键挤压应力安全系数不小于2；两相短路工况下，转轴剪切应力安全系数不小于1，圆键剪切应力安全系数不小于1，圆键挤压应力安全系数不小于1。

4 结语

联轴器端面和外圆的加工精度要求较为严格，为保证材料零缺陷，联轴器单件加工前、加工后均须按照国家机械部标准进行相关探伤检验。联轴器应设计有顶丝孔以方便装拆，还应设计平衡螺钉孔以轴系平衡。与拖动机联轴器也必须保证连接精度，才能确保机组整体安全连续地运行。

（1）在计算分析中，要注意求解法兰盘用平面应力问题、求解联轴器用平面应变问题。

（2）由于法兰盘和联轴器在离心力作用下与轴的在等同的配合紧量下，由于二位置的刚度不同，其中产生的配合环向应力也不同，应给予关注。

（3）在设计过程中，如果要以沿轴向等应力设计，那么需要设计成沿轴向不同的配合紧量。