膜片联轴器应力分析

膜片联轴器应力分析

罗福聚,何鑫,胡庆波

辽阳石化分公司热电运行部   辽宁 辽阳 111003

摘 要：由于联轴器找正不好导致轴线间的角向不对中，从而使膜片内产生交变应力引起疲劳损坏。本文对六孔束腰形膜片进行UG实体建模，从对膜片模拟施加应力进行有限元分析。从分析结果可以看出：离心泵联轴器对中好坏可以直接影响膜片的实用寿命。

关键词：找正   UG建模   模拟

1.引言

膜片联轴器由两端轴、膜片组、中间轴和连接螺栓组成。（图1）金属挠性膜片联轴器是一种以金属挠性元件来传递转矩而无需润滑的传动装置，其挠性元件是由一定数量的薄金属膜片叠合而成的膜片组。它通过高强度合金膜片组产生弹性变形来实现联轴器的挠性传动, 利用膜片的柔性来吸收输入输出轴间的相对位移。

联轴器在机泵中的作用是传递扭矩和力，所以联轴器对中的好坏将直接影响膜片的使用寿命。在炼化企业中，离心泵膜片工作状态的好坏直接影响到机泵的振动。当膜片变形严重，失去正常传递扭矩和力的作用后，机泵会因此出现振动增加，继而引起密封泄漏直至发生火灾爆炸等严重事故。

本文以六孔束腰形膜片为例，通过对传动扭矩和力的加载，进行UG建模有限元分析处理，直观的展示在工作状态中膜片的应力分析。为我们在工作中重视联轴器对中质量提供参考依据。

图1

2.不对中的形式及引起的力矩

2.1不对中形式

膜片联轴器对中结果不外乎如下几种基本类型: 角向( 两轴中心线成一定角度交于两轴端之间的中点) 、横向( 两轴中心线平行偏移) ，而横向位移不对中可以转化为角不对中。

旋转轴系运行时出现的实际偏移往往是以上任意2种不对中的组合。当膜片联轴器旋转时, 其角向偏移将产生交变应力, 每旋转一周循环交变一次。膜片动应力将导致膜片和螺栓的疲劳破坏, 因而准确地计算动静复合应力, 是预测膜片联轴器寿命、保证膜片联轴器可靠工作的关键。膜片作为膜片联轴器的关键弹性元件,在工作中的受力状态较为复杂，而主要的失效原因为不对中，本文研究限于分析膜片在单独承受某一种载荷时的应力分布情况,所以本文只以角不对中为例进行分析。

2.2不对中的力矩分析

2.1.1.力矩分量

膜片联轴器最一般的工作状态是其连接的两轴轴线同时存在角向、轴向和横向偏移的情况。其中, 横向不对中通常采用带中间轴的双膜片联轴器转化为角向不对中来实现补偿。因此, 对单个膜片联轴器而言, 其变形仅是由轴向和角向不对中引起。

假设驱动轴和传动轴不对中的角度为α，输入转矩为T,则输出时产生两个力矩分量,扭矩分量TX,和弯矩分量Ty，（图2）其中

TX=Tcosα           Ty=Tsinα                  （1）

源于联轴器在对中没有误差的情况下只传递扭矩，弯矩是由找正偏差的影响下产生的。为了分析问题我们只考虑弯矩对膜片的影响。在对UG有限元受力分析时只模拟加载Ty。由于功率P=功W/时间t，功W=力F×距离s；所以，P=F*S/t=F×速度v；即得

P=F*V ；T=F*R ；T=PR/V                       （2）

由图可以看出：当不对中的角度越大。产生的扭矩分量也越大[1]。

图2

2.2.2.简化条件

在6螺栓束腰形膜片中，A为主动螺栓，B为从动螺栓。转矩通过主动螺栓作用到膜片上，通过从动螺栓输送到被动原元件上。转矩就是靠主从动膜片间的副片来传递的。为简化计算可假定：

a.仅考虑传递扭矩引起的应力（转速较低，不考虑离心力载荷的作用）

b.不计各膜片间的相对运动，对膜片整体加以分析处理。

c.假定主螺栓受力相等，该力沿驱动方向且圆周分布。

d.在运动过程中，膜片端部保持平行。

3.膜片应力分析

相邻两螺栓孔之间的膜片段可等效为悬臂梁, 并利用材料力学的方法推导出连杆型膜片联轴器在单独承受转矩、及角向偏移时膜片内部应力。膜片上相邻两孔的螺栓分别与两端轴和中间轴的凸沿相连接，即螺栓相间反向布置。当确定一个孔所在的位置是固定时，相邻的两孔处由于预变形而导致法向作用力，对隔过一个孔的第三孔，又可视为固定约束。所有膜片的应力模式是相同的, 因此可将膜片整体分析。

根据轴向预变形的载荷对称性和结构对称性，可取三分之一膜片来进行分析。对膜片进行网格划分和有限元计算。膜片传递转矩时，转矩是通过主动螺栓利用膜片带动从动螺栓，沿螺栓圆切线方向传递的。角向偏移引起的偏斜弯曲应力为交变应力，其余应力可考虑为平均应力。螺栓孔中分面两边作为自由边，在两端的半圆孔上施加约束，中间螺孔承受载荷[2]。得到载荷和膜片的应力关系。

对于载荷的处理可知：当两个圆柱面相互租作用时，其相互压力为余弦分布，这种载荷方式为轴承载荷，且作用范围在180°角的范围内。当传动轴系角向不对中，也就是说两轴线间成角度a时，主动轴与从动轴的相互位置。

由上图我们由三角形关系可得：

Y1/L1=b/D;即 Y1=(L1b)/D;               （3）

Y2/(L1+L2)=b/D;即 Y2= (L1+L2) b/D;     （4）

由图可得关系为Sina=b/D;进而可得Ty值。

4.UG建模分析处理

以蒸馏二常B-232A为例进行说明。该泵参数为型号:100AYIII-150A；流量: 118M3/H扬程: 137M；转速: 2950RPM；轴功率: 81.5KW。膜片为L6-136，材质：1Cr18Ni9；轴径：70mm；联轴器直径：200mm。找正结果设为轴向偏差为1.0mm。

由公式可得：Ty=Tsinα；T=F*R； P=F*V；Sina=b/D

Ty= P (R/ V) Sina                    （5）

在UG 软件中对六孔束腰型膜片进行实体建模。由于在受力状态中，紧固胶圈与膜片间配合基本没有间隙，固不予考虑。

图

1      

图图3

5.总结

计算了联轴器膜片在弯矩的作用下膜片上的应力分布，并分析了对膜片的影响程度。通过举例分析使我们了解到联轴器对中的好坏直接关系到膜片的疲劳损坏，进而关系到泵轴的振动。

参考文献:

[1] 王昭甫.膜片式扰性联轴节.国外舰船技术.1980（2）：21-54.

[2] 申屠留芳.张相炎.关节联轴器角不对中补偿能力的研究[J].淮海工学院学报.2004,13（1）：11-14.