膜片联轴器膜片承受的载荷及改进措施

发布时间：2019-12-29

JM1J型接中间轴整体式膜片联轴器的型号和尺寸，并结合风力发电机组对膜片联轴器的要求进行类比设计。安装在风电机组中的膜片联轴器，要考虑风机的运行条件、性、安装、刹车、测速等要求。通常与齿轮箱高速轴联接的左半联轴器采用平键联轴器并配有测速盘和刹车盘；膜片采用四连杆束腰型，每组两片，单个膜片厚度为3mm左右；中间体采用绝缘的玻璃纤维树脂结构，并配有力矩限制器；与发电机转子轴联接的右半联轴器采用无键联轴器。
　　在风力发电机中几乎每个机械零部件的设计都用到了有限元分析，尤其是有限元法提供的常用分析功能恰好与膜片设计中的强度、刚度、稳定性、疲劳等关键内容吻合，以至于有限元分析成为膜片设计的基本内容。在传统膜片的设计中，实际结构尺寸一般采用类比设计方法确定，然后用材料力学或弹性力学公式校核其强度和刚度，计算误差和冗余较大。采用有限元静力分析的方法对膜片进行结构的强度分析计算，可以检验膜片是否达到强度要求，如不满足，则需要加强并为膜片设计提出可行的改进措施。因此利用有限元分析既可以构件整体强度，又可以为减重等方面提供改进和优化设计的理论依据和建议。采用有限元疲劳分析方法可以灵活地预估膜片的疲劳寿命，可为膜片设计提供的理论指导。
　　对膜片进行受力分析，膜片受到的载荷有：①扭距在膜片中产生的拉压力，②由轴线偏斜而引起的弯矩，③螺栓与膜片质量离心力，④膜片轴向位移引起的弹性推力，⑤螺栓预紧力。扭矩T使膜片产生的拉伸或压缩压力和质量离心力应力都随转速而变化。安装运行工况时，①、②、④、⑤均属于不变应力。弯矩M使膜片产生弹性推力，且在轴每转一圈时应力循环变换一次。膜片联轴器的主要失效不是由于膜片组件传扭能力不足，而是膜片和螺栓在交变循环复合应力作用下的疲劳所致。因此本章先计算膜片的强度，膜片的疲劳计算在下一章进行。
　　膜片承受的转矩主要靠主、从螺栓间膜片的拉压受力传递。为了简化计算，作以下基本假设：
　　①仅考虑传递扭矩引起的应力；
　　②不计各膜片间微小的相对运动产生的表面剪力，即将所有膜片视为一整体；
　　③假定每个主动螺栓所受的力相等，该力沿驱动方向；
　　④在运行过程中，膜片端部保持平行。
　　膜片在运行过程中受到的是拉应力和压应力，以及在三向位移补偿时产生的弯曲应力和高周循环疲劳应力。为了适应各种工况条件，理想的膜片材料应具有：高抗拉强度和疲劳强度；高和抗微动磨损能力。
　　通过在各种载荷情况下对膜片进行静强度分析计算，可以判断所设计的膜片能否承受的载荷。从膜片的静强度分析结果可知，膜片的应力没有超过给定材料的屈服强度，但是在膜片所受的载荷中，拉力和角位移都是变化的载荷。结构或材料在受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度，甚至比弹性还低的情况下就可能发生破坏，疲劳破坏已经成为引起结构破坏的主要因素。因此，单单分析各种载荷情况下的静强度并不能确定一种设计方案是否合理，疲劳问题也是进行膜片设计时要考虑的。利用有限元方法并借助于有限元分析计算软件对膜片进行静强度分析，可以比较地计算出各种载荷情况下膜片的应力、应变及位移状况。并且在静强度分析的基础上，再对膜片进行疲劳分析，看它能不能满足风电机组20年的寿命要求。
　　疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要原理之一，也是估算变应力幅值下疲劳寿命的关键理论。所谓损伤，是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。当材料承受高于疲劳的应力时，每个循环都使材料产生的损伤，每个循环所造成的平均损伤为1/N，这种损伤可以累积。损伤累积法认为疲劳破坏对于材料的损伤是逐步累积起来的，它不是对材料造成的破坏，而是在长期的交变应力的作用下对材料逐步形成微观裂纹，裂纹产生严重应力集中，促使裂纹逐步扩展由微观变成宏观，然后使得零件沿严重削弱的截面发生突然的脆性断裂。