大轉矩高彈性聯軸器位移補償機構優化設計

劉國花 褚洪森 史 進 譚曉星 董 鵬 孔曼軍

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

高彈性聯軸器具有調整軸系扭轉振動、補償兩軸的相對位移、衰減振動沖擊的功能，以保障動力系統總體性能要求的實現，是動力傳動系統中的關鍵設備，其使用性能直接關系到整個船舶傳動軸系部件的安全和壽命問題。

高彈性聯軸器橡膠彈性元件在傳遞轉矩的過程中會產生很大的軸向反力[1]，直接影響與聯軸器主、從動端相鄰的推力軸承軸瓦的壽命。若軸向反力超過了推力承軸允許載荷，則會導致推力軸承的損壞，較常見到的就是推力瓦磨損和燒毀，嚴重時還會造成更大的設備損壞事故。一些特殊場合，在高彈性聯軸器選型階段就需要注意高彈性聯軸器軸向反力的大小，以免其產生不良影響。

1 位移補償機構

高彈性聯軸器主要由橡膠彈性元件和位移補償機構兩大部分組成。橡膠彈性元件按照等強度理論設計制造，橡膠被硫化黏結在兩金屬法蘭之間，用于調頻調幅、吸收振動能量、補償徑向位移。橡膠元件在傳遞轉矩時產生扭轉變形，并會沿軸向伸長[2]，若在傳遞轉矩的過程中橡膠元件的兩端為剛性約束，橡膠元件將會產生很大的軸向反力。位移補償機構用于補償由于橡膠彈性元件受扭時軸向伸長及振動沖擊等多種因素下產生的軸向位移，避免因軸向力過大引起危害。

目前常用的位移補償機構有撓性桿式和膜片式，撓性桿式和膜片式高彈性聯軸器原理結構分別見圖1和圖2所示。

1-橡膠彈性元件 2-撓性桿座 3-撓性桿 4-法蘭軸

1-Flexible rubber element 2-Flexible link pedestal 3-Flexible link 4-Flanged shaft

圖1 撓性桿式高彈性聯軸器結構原理圖

Fig.1 Diagram of highly flexible coupling with flexible link

1-橡膠彈性元件 2-膜片座 3-膜片 4-軸套

1-Flexible rubber element 2-Membrane pedestal 3-Membrane 4-Hub

圖2 膜片式高彈性聯軸器結構原理圖

Fig.2 Diagram of highly flexible coupling with membrane

撓性桿式位移補償機構主要由撓性桿、撓性桿座和法蘭軸組成，由合金彈簧鋼制作的撓性桿切向交錯布置連接在撓性桿座和法蘭軸之間。撓性桿式位移補償機構具有良好的軸向和角向位移補償性能，已經廣泛應用于船舶推進軸系等各種場合，但其結構復雜，質量較大，軸向空間要求較大，不太方便加工和拆裝。

膜片式位移補償機構相比較同等傳遞轉矩能力的撓性桿式位移補償機構具有更好的軸向和角向位移補償能力，且結構簡單，質量較輕，加工和拆裝方便。

鑒于膜片式位移補償機構的優勢，小轉矩高彈性聯軸器已逐漸采用膜片式位移補償機構代替原撓性桿式位移補償機構。但是由于膜片的尺寸限制，較大型號的膜片式位移補償機構難以實現，所以大轉矩高彈性聯軸器仍采用撓性桿式位移補償機構，大轉矩撓性桿式高彈性聯軸器外觀見圖3。

隨著船舶行業的快速發展，軸系中對高彈性聯軸器提出更嚴格的要求，大轉矩撓性桿式高彈性聯軸器的優勢體現不足，開發設計具有更強位移補償能力，方便加工和拆裝的膜片式位移補償機構日趨迫切。

圖3 大轉矩撓性桿式高彈性聯軸器實物圖

Fig.3 Photo of the large torque highly flexible coupling with flexible link

2 位移補償機構優化設計

2.1 可行性分析

在小型高彈性聯軸器中膜片式位移補償機構已經基本完全取代了撓性桿式位移補償機構，它滿足位移補償等各種要求，工作狀態良好，且未曾出現因膜片式位移補償機構設計不足產生的問題，其優勢勝于撓性桿式位移補償機構。借鑒小型高彈性聯軸器膜片結構位移補償機構的設計經驗，只要攻克膜片尺寸限制的困難，那么大轉矩膜片式位移補償機構的方案是可以實現的。

2.2 方案設計分析

對彈性膜片選用的材料、厚度、數量和形狀等參數進行考量、設計[3]，經過可行性分析、可靠性分析后，確定彈性膜片結構的位移補償機構設計方案，如圖4所示。

圖4 膜片式位移補償機構設計方案

Fig.4 Scheme diagram of displacement compensation mechanism with membrane

對彈性膜片結構的位移補償機構采用ABAQUS軟件進行軸向反力分析[4]，其云圖見圖5所示。對具有同等傳遞轉矩能力的撓性桿結構位移補償機構的軸向反力測試，測試結果見表1。彈性膜片結構的位移補償機構仿真與撓性桿位移補償能力測試結果的比較見圖6所示，彈性膜片結構的位移補償機構軸向反力遠小于撓性桿結構位移補償機構的軸向反力，可以達到設計要求。

3 試驗驗證

按照優化設計的方案進行樣機加工，彈性膜片見圖7所示，將其組裝安裝在軸向位移試驗臺上進行試驗，測量其軸向反力與軸向位移，結果見下表2。

圖5 彈性膜片位移補償ABAQUS仿真分析

Fig.5 Simulated analysis for the capability of displacement compensation of membrane with ABAQUS

表1 撓性桿式位移補償機構軸向反力測試結果

圖6 軸向反作用力的對比分析

圖7 彈性膜片實物圖

由表2和表1列表中的平均值可見，彈性膜片式位移補償機構軸向反力不到撓性桿結構位移補償機構的軸向反力的11%(位移10 mm時，10.31 kN<94.47 kN)，達到了設計要求，實現了設計目的。優化前采用撓性桿結構、優化后采用膜片結構的試驗數據對比見圖8。

表2 膜片式位移補償機構軸向反力測試結果

圖8 優化前后的試驗數據對比

膜片式大轉矩高彈性聯軸器位移補償機構已成功地在實船上得到應用，目前工作狀態穩定，位移補償性能指標滿足實際的使用要求。

4 結論

通過仿真分析和試驗驗證，大轉矩高彈性聯軸器采用膜片式位移補償機構后，性能比采用傳統的繞性桿式結構有很大的提升，且結構簡單、安裝方便，縮短了高彈性聯軸器的加工周期，有利于企業進一步提高經濟效益。

本文提出的大轉矩膜片式位移高彈性聯軸器的優化設計方法實用、有效，為今后同類型產品的設計積累了經驗，對以后的工作具有很好的指導意義。