高速電機轉子聯軸器強度計算精度探討

張亮

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

總體上，轉子結構主要由轉軸、繞組、槽楔、護環、風扇、集電環、聯軸器等裝配而成，轉子高速旋轉時因離心力而受高機械應力，所以相關結構件的尺寸都應以緊湊為宜，以避免造成機械不平衡、熱不平衡而導致的振動超標問題。熱套形式的聯軸器是通過圓鍵傳遞扭矩的，該型聯軸器的扭矩傳遞結構屬基本類型，在傳遞扭矩方面和實體軸有相近效果。聯軸器為轉子結構中的重要部位，在運行中負責傳遞原動機扭矩，機組額定運行時傳遞額定扭矩，要求能夠承受短路扭矩。所以，設計時須對其結構進行應力分析，保證其結構應力符合強度要求。此外，聯軸器還是與原動機對組的機械接口，為了機械連接的精準度要求，聯軸器上的重要位置加工精度也必須滿足相關設計方案尺寸和形位公差。最終結構的工藝實現應在完成聯軸器結構應力計算、聯軸器結構參數修正、使其能夠滿足實際工程允許產生的應力安全系數限制，從而確定轉子聯軸器的最終尺寸設計方案。

1 實際結構參數

為滿足與拖動機機電連接要求，與汽輪機廠確定聯接接口尺寸后再行分析計算，根據轉軸與聯軸器配合處直徑布置聯軸器和圓鍵的數量和長度（如表1）。

2 問題求解過程

計算聯軸器的結構應力，修正聯軸器的結構參數，使聯軸器能夠滿足實際使用應力安全系數的要求以確定聯軸器的最終設計尺寸，上述需要機電雙方的正式書面確認證明，才能開展施工設計流程。

表1 基本數據表

對于厚圓筒結構屬于彈性力學范疇，其中的二維平衡微分方程為：

那么，對于無中心孔的軸，變形和應力的解是：

對聯軸器：

約束條件為：

其中，R1為熱套配合半徑，R2為聯軸器外半徑。解得

聯軸器最大環向拉應力為：

也即單邊緊量小于0.2mm，則安全系數大于2。

聯軸器與軸的相互擠壓應力為：

國有企業在財務管理預算監督過程中缺乏有效的監督的現象較為明顯，尤其是財務管理部門對其下屬單位的監督性不夠，直接造成了國有企業經濟效益的下降。國有企業及其下屬單位屬于一個不可分割的利益共同體，其下屬單位的財務預算管理工作通常情況下監督的力度遠遠不足，其中，缺乏科學的規劃、目前不明顯是最為突出的問題，從而給國有企業的長足發展帶來了嚴重的不利影響。

對于圓鍵，因為由其承受轉軸上傳遞的扭矩，熱套聯軸器后，需要在圓鍵環形等距分布節圓鉆孔。一般來講，具有1:50的斜度，采用冷凍方法插入上序所鉆的光孔，并按圖紙技術要求對軸向實際位置進行調整。

舉例說明：圓鍵材質為圓鋼35CrMo，熱處理后機械性能為抗拉強度不小于980MPa，屈服強度不小于835MPa，斷面伸長率不小于12%，斷面收縮率不小于45%，沖擊功不小于63J。

扭矩由鍵傳遞，但必須保證聯軸器與軸在超速轉速時不分離，由得最小單邊緊量為：

因此單邊緊量范圍為0.0114～0.197mm，換算成雙邊緊量（直徑緊量）為0.023～0.396mm。

注意，以上是按平面應力計算，且沒考慮法蘭盤的影響，現將計算結果一并列出（表2）。

表2 結果匯總

實際上，熱套聯軸器的應力狀態如圖1所示。

圖1

法蘭盤位置的結果與聯軸器的結果相差較大。

緊量建議取范圍中間的數值：0.125～0.362mm。

3 考核標準

一般的，額定工況下，轉軸剪切應力安全系數不小于4，圓鍵剪切應力安全系數不小于2，圓鍵擠壓應力安全系數不小于2；兩相短路工況下，轉軸剪切應力安全系數不小于1，圓鍵剪切應力安全系數不小于1，圓鍵擠壓應力安全系數不小于1。

4 結語

聯軸器端面和外圓的加工精度要求較為嚴格，為保證材料零缺陷，聯軸器單件加工前、加工后均須按照國家機械部標準進行相關探傷檢驗。聯軸器應設計有頂絲孔以方便裝拆，還應設計平衡螺釘孔以軸系平衡。與拖動機聯軸器也必須保證連接精度，才能確保機組整體安全連續地運行。

（1）在計算分析中，要注意求解法蘭盤用平面應力問題、求解聯軸器用平面應變問題。

（2）由于法蘭盤和聯軸器在離心力作用下與軸的在等同的配合緊量下，由于二位置的剛度不同，其中產生的配合環向應力也不同，應給予關注。

（3）在設計過程中，如果要以沿軸向等應力設計，那么需要設計成沿軸向不同的配合緊量。