膜盤聯軸器膜盤應力與剛度分析

曹安港，常 山，丁春華，劉欣欣

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

膜盤聯軸器膜盤應力與剛度分析

曹安港，常 山，丁春華，劉欣欣

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

膜盤聯軸器以其結構簡單、體積小、可靠性高能夠最大限度的通過其彈性變形補償輸入輸出端的位移偏差，而被廣泛應用于航空、船舶以及化工等領域。膜盤是聯軸器關鍵部件之一，但作為旋轉機械，膜盤屬于易損部件，故本文對膜盤在各載荷作用下應力分布情況進行仿真分析，同時對其扭轉剛度、軸向剛度、角向剛度做計算分析，計算結果可為膜盤結構設計以及優化提供重要參考。

膜盤聯軸器；膜盤；應力；剛度；數值模擬

1 膜盤有限元模型的建立

本文研究的錐形膜盤外環上有24個螺栓孔，內環上有12個傳扭銷孔，膜盤的內徑為92 mm，外徑為300 mm，厚度為8 mm，型面部分厚度按公式t=130/r變化，其中t為型面厚度，r為型面半徑。在Ansys軟件內，應用APDL進行參數化建模，采用solid185單元對膜盤進行六面體單元網格劃分[3]。獲得錐形膜盤有限元模型如圖1所示。

2 膜盤應力分析

2.1 扭矩作用下的膜盤應力

錐形膜盤在工作過程中，承受的扭矩為7 958 N·m，作用在膜盤內側12個傳扭銷一側，根據扭矩求出作用在每個傳扭銷孔的圓周力，將圓周力按余弦規律分布進行加載，固定內側孔的徑向及軸向約束，外側螺栓孔進行全部約束，獲得膜盤應力云圖以及型面徑向沿y軸分布曲線如圖2所示。

圖1 錐形膜盤有限元模型

圖2 應力云圖及分布曲線

由圖2可知，膜盤在承受扭矩載荷作用下，最大應力為247 MPa，型面內徑處應力最大為239 MPa，隨著半徑的增加，型面處應力逐漸降低，且變化幅度越來越緩。

2.2 離心力作用下的膜盤應力

根據已知膜盤轉速為7 200 r/min，在分析過程中以角速度形式進行加載，同時固定所有孔的軸向及周向自由度。獲得膜盤應力云圖以及型面徑向沿y軸分布曲線如圖3所示。

由圖3可知，膜盤在承受離心力載荷作用下，最大應力為41.1 MPa，型面外徑處應力最大為30.73 MPa，隨著半徑的增加，型面處應力呈現先減小后增加的趨勢，相比于扭矩載荷對膜盤應力的影響較小。

圖3 應力云圖及分布曲線

2.3 軸向偏差作用下的膜盤應力

假設膜盤承受的軸向偏差為3 mm，作用在輸入端傳扭銷處，固定外圈螺栓孔全部自由度，獲得膜盤應力云圖以及型面徑向沿y軸分布曲線如圖4所示。

由圖4可知，膜盤在承受軸向偏差載荷作用下，最大應力為515 MPa，型面內、外徑處應力最大約為381 MPa，隨著半徑的增加，型面處應力呈現先減小后增加的趨勢，相比于前2種載荷對膜盤應力的影響較大。

2.4 角向偏差作用下的膜盤應力

假設膜盤承受的角向偏差為0.3°，將其轉化成軸向位移約束進行加載，作用在輸入端傳扭銷處，固定外圈螺栓孔全部自由度，獲得膜盤應力云圖以及型面徑向沿y軸分布曲線如圖5所示。

由圖5可知，膜盤在承受角向偏差載荷作用下，最大應力為82 MPa，型面內徑處應力最大約為72.23 MPa，隨著半徑的增加，型面處應力呈現先減小后增加的趨勢。

2.5 復合工況作用下的膜盤應力

膜盤在上述4種載荷共同作用，對外圈孔進行軸向及角向約束，獲得膜盤應力云圖以及型面徑向沿y軸應力分布曲線如圖6所示。

圖4 應力云圖及分布曲線

圖5 應力云圖及分布曲線

由圖6可知，膜盤在多種載荷共同作用下，最大應力為598 MPa，型面內徑處應力最大約為510 MPa，隨著半徑的增加，型面處應力呈現先減小后增加的趨勢。

圖6 應力云圖及分布曲線

3 膜盤剛度分析

膜盤在扭矩載荷作用下產生相應的扭轉剛度，在軸向偏差載荷作用下會產生軸向剛度，在角向偏差載荷作用下會產生角向剛度[4]。本節對膜盤在不同載荷作用下各剛度變化進行研究，獲得3種剛度在各載荷下變化曲線如圖7所示。

圖7 膜盤剛度在各載荷下變化曲線

由圖7可知，膜盤在承受不同扭矩載荷作用下其偏轉角呈線性增加趨勢，其斜率為扭轉剛度，數值約為 7.04×107N·m/rad；膜盤在承受軸向位移載荷作用時，其軸向反力呈線性增加趨勢，其軸向剛度約為1.27×106N/m；膜盤在承受角偏差載荷作用時，其反作用力矩呈現線性增加趨勢，其角向剛度約為7 435.9 N·m/rad。

4 結 語

本文對錐形膜盤在各種載荷下應力分布以及3種剛度進行數值仿真研究，結果表明：膜盤應力最大值通常出現在型面的內側或外側過渡區域，在幾種載荷單獨作用下時，其軸向位移相比于其他載荷產生的應力最大，但膜盤聯軸器往往處于上述幾種復合載荷的工作環境下，致使膜盤會產生更大的應力。膜盤在結構尺寸參數不變的情況下，當在不同載荷作用下時其3種剛度基本保持不變。

[1]岳彭,鄧廣琳,邢立峰.膜盤強度計算方法[J].艦船科學技術,2013,35(1):81-85.

[2]岳彭,趙宇,劉欣欣.不同型面膜盤特性分析[J].艦船科學技術,2013,35(2):83-87.

[3]邱兆國,張鳳鵬,白景輝.彈性膜盤聯軸器盤面曲線的設計與有限元分析[J].機械設計與制造,2010(7):32–33.

[4]陳文聘,馬永明.膜盤聯軸器軸向剛度性能分析[J].船舶工程,2010,32(1):33–36.

Analysis of stress and stiffness of diaphragm

CAO An-gang,CHANG Shan,DING Chun-hua,LIU Xin-xin
(The 703 Research Institute of CSIC,Harbin 150078,China)

Diaphragm coupling with its simple structure,small size,high reliability and can compensate for its input and output displacement deviation by its maximize elastic deformation is widely used in aerospace,marine,and chemical etc.diaphragmis an important work indiaphragm coupling.But as rotary machinery,it iseasily damaged.Therefore,in this paper,simulation analysis the stress distribution of diaphragm coupling at each load and its torsional stiffness,axial stiffness and angular stiffness are made calculation and analysis.The results can be used as an important reference for design and optimization of diaphragm coupling.

diaphragm coupling；diaphragm；stress；stiffness；numerical simulation

U664

A

1672 – 7649(2017)10 – 0155 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.031

0 引 言

膜盤聯軸器屬于金屬膜盤撓性聯軸器，其工作原理為轉矩從主動端半聯軸器輸入，經過沿圓周間隔布置的主傳扭高強度螺栓將轉矩傳輸至膜盤組，再由膜盤組通過高強度螺栓傳至中間節，并同樣由另一端的膜盤組、高強度螺栓及從動端半聯軸器輸出[1 – 2]。膜盤作為金屬膜盤撓性聯軸器的關鍵部件，工作時，膜盤聯軸器的型面不僅在輸入和輸出端之間傳遞轉矩，還要通過其彈性變形補償輸入輸出端的位移偏差等。通常受到離心力、扭矩以及軸向變形等載荷的作用，膜盤型面的設計是膜盤設計的關鍵，故本文以錐形型面膜盤為研究對象，進行應力及剛度分析，獲得膜盤在不同載荷作用下應力及剛度的變化規律，為膜盤的設計及優化提供理論基礎。

2017 – 03 – 21

曹安港(1988 – )，男，博士研究生，研究方向為聯軸器。