联轴器膜片的应力分析

联轴器膜片的应力分析

  用有限元程序对复合材料联轴器中圆环式膜片进行了应力分析,给出了膜片中存在的4种应力的计算结果,并分析比较了应力对复合膜片疲劳寿命的影响。其结果对复合材料膜片疲劳寿命的计算提供了参考。 

膜片联轴器主要是由膜片组件、法兰盘、两端轴、中间轴和连接螺栓组成的传动装置。目前常用金属膜片结构,但在实际工作中会受到化工生产环境的影响,加速膜片的断裂破坏,减少其使用寿命。运用传统的材料力学方法和有限元和优化设计致力于金属膜片应力和寿命分析。

1力学模型简化

取复合膜片的1/4进行应力分析计算,不计各膜片间微小的相对运动所产生的表面剪切和积压,认为外载荷平均分布在6组膜片中,每片承受其中的1/6,不考虑横向振动产生的相对较小的惯性应力。在取出的1/4膜片边缘截面上采用固定约束处理;中间螺栓孔处根据不同工况分别固定径向位移并根据工作参数给定轴向位移;小孔边缘采用刚性域(加固)处理。膜片内外环边自由。

具体计算工况可分为4种情况。

1.1转矩产生的薄膜应力一侧转矩T产生的力平均分布在4个间隔相同的螺栓孔上,P=T/(4r)在所取的1/4膜片上,该力沿周向作用于中间螺栓孔一侧中部,固定径向位移和轴向位移。

1.2离心惯性力产生的离心惯性应力高转速机械的离心惯性力在结构的应力计算中好重要,该联轴器的转速为n=2960r/min,其离心惯性力可以按径向力f=(2πn/60)2ρr加载,方向沿径向向外,固定中间螺栓孔的径向位移、周向位移和轴向位移,周边无其他载荷作用。

1.3轴向安装误差引起的弯曲应力由于轴线方向的实际安装误差,膜片沿轴线方向发生弯曲变形,当轴向位移偏差较大时,该弯曲变形产生的应力在膜片的应力分析中好重要。计算时按技术要求给定轴向位移偏差为[X]=2.8mm,中间轴两侧分别为1.4mm,该位移加载在中间螺栓孔处的轴线方向,径向位移和轴向位移固定。

1.4角向安装误差引起的弯曲应力(周期性应力)由于轴线角向的实际安装误差,膜片沿轴线方向发生周期性弯曲变形,当角向位移偏差较大时,该弯曲变形产生的应力在膜片的应力分析中好重要,而且它是决定膜片疲劳寿命的主要因素。计算时按技术要求给定角向位移偏差[α]=2°,中间轴两侧分别为1°,根据角向偏差计算所引起的中间螺栓孔一周在轴线方向的(沿径向线性变化)位移,径向位移和轴向位移固定。

1/4膜片的有限元模型

根据简化的力学模型,在软件中建立实体模型。由于分析对象为复合型材料,因此采用线性、层状的复合结构壳单元进行有限元网格划分,生成有限元模型。因以复合结构进行研究时是以在宏观尺寸上整体组成的新材料为依据,故复合材料参数与各层材料的定义参数有直接关系,计算结果也是以复合材料整体为对象进行的。复合材料具有很高的比强性(强度/质量)和比刚性(模量/质量)。由于实际工作时联与轴器膜片在螺栓孔周边与法兰相连而深受加固,因此采用刚性域处理。边界条件和载荷按简化的力学模型给出。自动生成的有限元模型结点数为2713,单元数为835。有限元网格的划分情况和节点编码,在不同的计算流程中节点编码上可能存在微小差异,它并不影响应力的计算和分析,结果分析可根据对应点在模型中的具体位置(坐标)来确定。

决定膜片寿命的影响因素主要有应力幅和平均应力两个方面,影响较大的为应力幅的数值。应力幅是指动态应力角向位移引起的弯曲应力幅,平均应力是指3种静态应力(薄膜应力、离心应力、轴向偏差应力)的组合应力。实际工作中转速和转矩的变化、安装误差的调整等均会对实际寿命产生明显影响。另外,膜片的制造缺陷也会影响其寿命。从应力数值上看,角向和轴向安装偏差应力远大于工作载荷所产生的薄膜应力和离心惯性应力。因而,影响膜片疲劳寿命的决定因素是安装偏差引起的附加应力。在实际工作中,应尽可能提高膜片联轴器的安装精度,即减少轴向位移量和角向位移量,以延长膜片工作寿命。