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第1 章 緒論
1.1課題來源
彈性聯(lián)軸器是應(yīng)用廣泛的機(jī)械零部件，在工業(yè)生產(chǎn)，石油，化工，冶金等工業(yè)部門都有應(yīng)用，彈性聯(lián)軸器的使用狀況直接關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的安全及壽命問題，尤其是一些重要場(chǎng)合，彈性聯(lián)軸器的失效問題往往引起人們的極大關(guān)注，例如某公司的GK2型內(nèi)燃機(jī)車采用MTU16V396TC14型柴油機(jī)做內(nèi)燃機(jī)。MTU柴油機(jī)與風(fēng)扇藕合器采用萬向軸來傳遞動(dòng)力。為了緩和沖擊力．柴油機(jī)輸出軸與萬向軸聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器。0002＃機(jī)車使用7年后，彈性聯(lián)軸器被剪斷，更換同種型號(hào)的彈性聯(lián)軸器后，使用未到一年又被剪斷，而同一型號(hào)的0001# ,0003＃機(jī)車使用時(shí)間以達(dá)9年，但彈性聯(lián)軸器依然完好如初。根據(jù)目前的機(jī)車運(yùn)行工作情況來看，機(jī)車柴油機(jī)輸出軸與萬向軸之間的彈性聯(lián)軸器的失效問題已成為急待解決的技術(shù)問題之一。類似的情況在其他工程領(lǐng)域也都不同程度的存在，因此研究彈性聯(lián)軸器的工作狀態(tài)是一項(xiàng)很有實(shí)際意義的課題。
1.2 研究課題的意義與作用
彈性聯(lián)軸器的工作狀態(tài)涉及多個(gè)方面，其中重要的一個(gè)方面是彈性聯(lián)軸器在工作過程中的扭振現(xiàn)象，事實(shí)上，彈性聯(lián)軸器的過早失效除了其本身質(zhì)量問題外，更與柴油機(jī)的振動(dòng)和萬向軸未動(dòng)平衡有關(guān)。由于萬向軸存在著主動(dòng)軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)不完全同步的問題，從動(dòng)軸不能以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生附加動(dòng)載荷，引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。它與柴油機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)一起作用在彈性聯(lián)軸器上，導(dǎo)致彈性聯(lián)軸器的偏心度增大，使用壽命降低。
因此，本課題針對(duì)彈性聯(lián)軸器在工作過程中的扭振現(xiàn)象，研究萬向軸與聯(lián)軸器的工作狀態(tài)禍合關(guān)系，減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)于延長彈性聯(lián)軸器使用壽命有著重要的意義。對(duì)于避免機(jī)車其他重要部件正常失效，提高機(jī)車運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行安全度，降低維修成本也有著重要的意義。
1.3 國內(nèi)外扭振研究現(xiàn)狀
由于六十年代末，七十年代初的幾起汽輪發(fā)電機(jī)組的部件損壞和軸系斷裂事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)造成了極大的損失，國外的一些廠家和組織開始了對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的扭振機(jī)理，計(jì)算方法以及測(cè)試方法的研究和探討。
目前國外的扭振課題主要從事以下研究：
(l）軸系扭振固有頻率計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。
(2）軸系的阻尼分析和不同機(jī)組，不同載荷下的阻尼測(cè)量。
(3）不同類型的機(jī)組的扭振響應(yīng)計(jì)算。
(4）軸系在各種電氣干擾下的疲勞壽命損耗分析，計(jì)算和在線檢測(cè)等。
國內(nèi)對(duì)扭振問題的研究比較晚，大多是對(duì)大機(jī)組軸系進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)多側(cè)重于橫向振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，一直到1985年大同斷軸事故后，才引起國內(nèi)廣泛重視。80年代后期90年代初，國內(nèi)許多研究單位和大中院校開始了這方面的研究，但力度和深度還不夠，主要是由于這樣幾個(gè)原因造成的：首先是相對(duì)軸系扭振來說，軸系橫向振動(dòng)的發(fā)生更為常見，很多軸系故障，如轉(zhuǎn)子不平衡、彎曲、不對(duì)中等，都可以通過對(duì)軸系橫振信號(hào)的測(cè)取和分析進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)軸系橫向振動(dòng)信號(hào)的測(cè)取（包括技術(shù)和設(shè)備）及分析也已經(jīng)非常成熟。其次是由于軸系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化使得對(duì)軸系扭振固有頻率的計(jì)算較橫振復(fù)雜的多，涉及軸系建模理論、結(jié)構(gòu)�；椒�、機(jī)網(wǎng)之間的相互關(guān)系等多方面，理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要從實(shí)踐中得到證實(shí)。然而，對(duì)扭振進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的最大障礙正是來自于扭振測(cè)試技術(shù)的落后。由于發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，軸系振副很微弱（發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振時(shí)例外），增加了扭振監(jiān)測(cè)的難度。另外，目前對(duì)于扭振的很多是局限于剛性部分，對(duì)于粘彈性部分，比如橡膠元件則涉及的很少。
對(duì)軸系扭振特性的理論計(jì)算是檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)分析的前提，也為改善軸系結(jié)構(gòu)、預(yù)防扭振的發(fā)生提供理論基礎(chǔ)。在這個(gè)方面己經(jīng)國外已經(jīng)有了成熟的理論，IEEE工作小組發(fā)表的文章中詳述了一些經(jīng)典的模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，目前國外已經(jīng)形成了很多有效的關(guān)于扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)固有頻率的算法，對(duì)于工程應(yīng)用具有很大的指導(dǎo)意義。
二十世紀(jì)初提出的Holzer法就是使用迭代法對(duì)多質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行計(jì)算的方法。Wilson 和Nestorides 描述了對(duì)包括轉(zhuǎn)軸，調(diào)速器和聯(lián)軸器等部件進(jìn)行�；姆椒ㄒ源_定等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度。同時(shí)描述了將非分支系統(tǒng)的多轉(zhuǎn)軸�；癁閱无D(zhuǎn)軸系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算的方法以及在Holzer中如何處理非分支系統(tǒng)。
Holzer法的一個(gè)延伸就是利用傳遞矩陣法計(jì)算軸系的固有頻率。Pestel和Leckie對(duì)于在非阻尼和阻尼軸系系統(tǒng)中如何確定軸系的固有頻率和模態(tài)振型進(jìn)行了全面的闡述。在確定扭振系統(tǒng)或該系統(tǒng)對(duì)一特定邊界條件響應(yīng)的特征值的過程中必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行�；�
Pilkey和Leckie開發(fā)的用于分析帶分支系統(tǒng)扭振系統(tǒng)的傳遞矩陣法包括將分支系統(tǒng)簡化為一個(gè)等效單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這種方法要求將分支系統(tǒng)的參數(shù)累加在分支系統(tǒng)所屬的軸段上。因?yàn)檫@種方法要求從主傳遞矩陣上消去分支系統(tǒng)的狀態(tài)關(guān)系，這會(huì)導(dǎo)致用根搜索法求解時(shí)丟到合理的根。如下圖1-2所示的一個(gè)頻率范圍內(nèi)的分支系統(tǒng)的特征曲線，因?yàn)闊o限大而略去的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致丟根。
Abhary提倡在�；袇�(shù)扭振系統(tǒng)使用部分作圖的方法。該技術(shù)的圖示部分是幫助對(duì)一個(gè)有多個(gè)分支系統(tǒng)的扭振系統(tǒng)進(jìn)行等效計(jì)算時(shí)一個(gè)簡單的工具。一旦建立起等效模型，就建立對(duì)系統(tǒng)寫出矩陣形式的方程，然后利用商業(yè)程序進(jìn)行特征值分析，然后對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，必須的等效計(jì)算時(shí)很耗時(shí)和乏味的。所以這種技術(shù)在扭振分析中使用并不好。
Mitchell對(duì)由Hibner用于轉(zhuǎn)子橫同振動(dòng)分析中用到的方法進(jìn)行了改造后開發(fā)了一種用于齒輪嚙合扭振系統(tǒng)的多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)傳遞矩陣方法。對(duì)于�；噢D(zhuǎn)子系統(tǒng)，這種多轉(zhuǎn)子傳遞矩陣是簡單而有效的，這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括：
(l）略去其他方法所必需的許多等效計(jì)算。
(2）為嚙合齒輪的雙方的相對(duì)狀況建立了一個(gè)簡單的傳遞矩陣。
(3）允許在模型中表征齒的撓性。
(4)在全局傳遞矩陣中考慮了所有狀態(tài)信息。
(5）對(duì)分支系統(tǒng)的模化變得較為簡單。
與這種方法相關(guān)的�；椒ǜ菀子糜�(jì)算機(jī)去實(shí)現(xiàn)。
Blarding 開發(fā)了一種用Hibner/Mitchell多轉(zhuǎn)子傳遞矩陣分析多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，三維，共振響應(yīng)的傳遞矩陣計(jì)算機(jī)程序。這個(gè)程序不僅包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的響應(yīng)，還包括了軸向和徑向的響應(yīng)。這種模型包含了多不同目由度的藕合因子。這個(gè)程序可以處理包括嚙合齒剛度隨時(shí)間的變化。此外，還可以考慮齒輪嚙合的差錯(cuò)對(duì)扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。這些功能可以使程序更加精確地�；到y(tǒng)。然而，增加的功能會(huì)使程序變得更加復(fù)雜，計(jì)算機(jī)計(jì)算需要的時(shí)間也越長。
Tsai和Kuang業(yè)開發(fā)了一個(gè)使用多轉(zhuǎn)子傳遞矩陣的計(jì)算程序，可以考慮齒輪嚙合轉(zhuǎn)子的彎扭耦合振動(dòng)。
Doughty和Vafaee開發(fā)了一個(gè)用于確定簡單扭振系統(tǒng)帶阻尼的固有頻率和模態(tài)振型傳遞矩陣計(jì)算程序。然而此程序只局限于分析等效單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，而且所用的求根法為Newton-Raphson 代數(shù)法，有一定缺陷。用Newton-Raphson法要求輸入一個(gè)初始根，這個(gè)值會(huì)影響整個(gè)的求解過程，此外這種方法需要對(duì)所求得函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)求解，對(duì)于傳遞矩陣問題，這些推導(dǎo)只能是某種程度的近似，會(huì)影響求解過程。
Huang和Horng也開發(fā)了一種用Newton-Raphson求解的傳遞矩陣程序，該程序是用于帶阻尼扭振系統(tǒng)的求解。程序采用的是Pestel和Leckie的兩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分支技術(shù)，因?yàn)檫@種技術(shù)只是追蹤主系統(tǒng)的狀態(tài)值，所以用這個(gè)程序計(jì)算兩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的全部特征需要獨(dú)立的系統(tǒng)模型。
由于軸系的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是同時(shí)存在的，近年來國外對(duì)彎扭藕合振動(dòng)的產(chǎn)生條件及原因進(jìn)行了深入的探討，得出了很多具有劃時(shí)代意義的結(jié)果，這方面的許多成果是建立在對(duì)軸系模型的有限元分析基礎(chǔ)上。
1.4 研究內(nèi)容
研究表明，聯(lián)軸器的過早損壞，往往是聯(lián)軸器或相連部件工作不正常所致大功率柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不均勻性對(duì)傳動(dòng)裝置的工作可靠性和壽命有重大影響。對(duì)多缸柴油機(jī)來說，由于以下四方面原因的存在：(l）柴油機(jī)氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力所產(chǎn)生的激振力矩是脈沖式周期變化的；(2）柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及慣性所產(chǎn)生的激振力矩是周期變化的；(3)接受功率部件所吸收的轉(zhuǎn)矩不是定值，產(chǎn)生的激振力矩是隨機(jī)變化的；(4）各缸功率不均衡偏差的客觀存在及其分布的隨機(jī)性導(dǎo)致柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)性等，致使柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不均勻性是無法避免的。其實(shí)際輸出值是由其輸出轉(zhuǎn)矩的平均值和一系列不同振幅、不同頻率和不同相位的簡諧力矩疊加而成。在某些工作狀態(tài)下，柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)峰值甚至是其平均值的5-6 倍，或者更多。
最終導(dǎo)致聯(lián)軸器失效的主要原因大致可歸納為下列幾個(gè)方面：
(1）設(shè)計(jì)和選用上的原因。
(2）制造、安裝和調(diào)整方面的原因。
(3）維護(hù)方面的原因。
(4）環(huán)境方面的原因。
這些原因從各個(gè)不同的角度影響到彈性聯(lián)軸器在工作過程中的扭振現(xiàn)象。
本課題研究內(nèi)容主要圍繞著彈性聯(lián)軸器在工作過程中的扭振的產(chǎn)生機(jī)理、影響效應(yīng)、計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算固有頻率和動(dòng)態(tài)特性等幾方面展開。該聯(lián)軸器實(shí)體造型如圖1.3所示
上圖中1為鐵圈，通過圓面上的螺栓孔和電動(dòng)機(jī)延伸出來的軸聯(lián)接，屬于被動(dòng)端。2為橡膠元件，作為彈性聯(lián)軸器的主要工作元件，起減振和緩沖的作用：3為鐵圈，通過圓面上的螺栓孔和柴油機(jī)延伸出來的軸聯(lián)接，屬于驅(qū)動(dòng)端。1和3中螺栓孔的位置的設(shè)計(jì)主要考慮到安裝過程的方便性。
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