邵俊鵬 崔仕海 王希貴 李光毅

摘 要：針對(duì)某一風(fēng)力發(fā)電機(jī)組六自由度加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求，設(shè)計(jì)了一種連桿式聯(lián)軸器。該聯(lián)軸器一端與加載平臺(tái)嵌接，在補(bǔ)償加載平臺(tái)所產(chǎn)生的各向角度及位置偏差的同時(shí)并能穩(wěn)定的傳遞扭矩?？紤]到普通膜片式聯(lián)軸器的各向偏差補(bǔ)償能力小，角度補(bǔ)償過程中會(huì)產(chǎn)生額外的軸承負(fù)荷等問題，該聯(lián)軸器采用連桿代替原有的膜片結(jié)構(gòu);連桿兩端采用關(guān)節(jié)軸承連接，在提升各向偏差補(bǔ)償能力的同時(shí)而不產(chǎn)生軸承負(fù)荷?；诳臻g幾何知識(shí)建立了該聯(lián)軸器連桿的分布與長(zhǎng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。為了進(jìn)一步對(duì)此聯(lián)軸器進(jìn)行研究，先利用ANSYS workbench對(duì)聯(lián)軸器靜載轉(zhuǎn)矩工況進(jìn)行了應(yīng)力分析。得出主要部件的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

關(guān)鍵詞：連桿;聯(lián)軸器;偏差補(bǔ)償;應(yīng)力分析

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.001

中圖分類號(hào)： TH133.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）02-0001-05

Abstract：According to the requirements of a six degree of freedom load test platform for a wind turbine， a kind of connecting rod coupling is designed. One end of the coupling is embedded onto a loading platform which can compensate for the angle and position deviation and transfer torque at the same time. Considering that the compensation ability of the diaphragm coupling is small and the additional bearing load will be produced in the process of angle compensation， the coupling adopts the connecting rod to replace the original diaphragm structure. Both ends of the connecting rod are connected by a joint bearing which can improve the ability to compensate for deflection and no bearing load. A mathematical model of relationship between the distribution and length of the coupling rod is established based on spatial geometry knowledge. In order to further study the coupling， in this paper， the stress analysis is carried out by using the ANSYS workbench static load torque. The stress and strain distribution nephogram of the main components is obtained and the strength check is carried out. It provides some guiding significance and reference value for the design and research of the connecting rod coupling on the loading platform.

Keywords：connecting rod;coupling;deviation compensation;stress analysis

收稿日期： 2017-04-01

基金項(xiàng)目：

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2012DFR70840）.

作者簡(jiǎn)介：

邵俊鵬（1957—），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師;

王希貴（1972—），男，博士，副教授.

通信作者：

崔仕海（1990—），男，碩士研究生，Email：742851451@qq.com.

0 引 言

聯(lián)軸器是廣泛應(yīng)用于兩軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）之間的連接裝置，其目的就是實(shí)現(xiàn)兩軸的共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩。同時(shí)在傳動(dòng)過程中要求其應(yīng)具有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的特性，通常使用的柔性聯(lián)軸器有彈性聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器等。在所有的柔性聯(lián)軸器中，他們各具特點(diǎn)。但是他們的使用環(huán)境都有一定的局限性，即兩軸的對(duì)中度不能偏差太大，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程不能出現(xiàn)大的位置偏移，只能在允許的偏差范圍內(nèi)機(jī)動(dòng)。

本文所提出的連桿式聯(lián)軸器主要應(yīng)用于某一大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)加載平臺(tái)之上。此加載平臺(tái)采用六自由度加載，可以實(shí)現(xiàn)空間狀態(tài)下的各種位姿。因此，為了保證聯(lián)軸器能高效穩(wěn)定的傳遞轉(zhuǎn)矩，就要求聯(lián)軸器能夠承受加載平臺(tái)作用于其身上的拉、扭、壓等各種隨機(jī)載荷，并具有較高的軸向、徑向以及角度上的偏差補(bǔ)償能力。目前，應(yīng)用在風(fēng)電領(lǐng)域或者具有良好的多方向補(bǔ)償能力的聯(lián)軸器主要以膜片聯(lián)軸器為主，它是利用自身所帶膜片發(fā)生彈性變形的原理進(jìn)行偏差補(bǔ)償。膜片發(fā)生彈性變形后產(chǎn)生的恢復(fù)力會(huì)強(qiáng)加到聯(lián)軸器上，因此膜片聯(lián)軸器的功能更多體現(xiàn)在維持兩軸對(duì)中原狀。如果將膜片聯(lián)軸器應(yīng)用于風(fēng)力加載平臺(tái)上，膜片的彈性恢復(fù)力將會(huì)阻礙加載平臺(tái)的自由運(yùn)動(dòng)，造成加載力的失調(diào)，從而會(huì)使整個(gè)加載系統(tǒng)處于阻尼干涉狀態(tài)[1-2]。

本文在綜合考慮了普通柔性聯(lián)軸器的補(bǔ)償特點(diǎn)及其特殊應(yīng)用場(chǎng)合下，提出了連桿式聯(lián)軸器。首先通過對(duì)連桿式聯(lián)軸器進(jìn)行結(jié)構(gòu)介紹。根據(jù)加載平臺(tái)所需聯(lián)軸器的參數(shù)要求，建立了連桿式聯(lián)軸器三維模型如圖1所示（連桿式聯(lián)軸器處于補(bǔ)償狀態(tài)）。

建立了聯(lián)軸器回轉(zhuǎn)尺寸與連桿長(zhǎng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過空間幾何關(guān)系對(duì)連桿分布及長(zhǎng)度的選取進(jìn)行了理論論證。對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行模型優(yōu)化，通過ANSYS workbench對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)聯(lián)軸器工作載荷的要求，施加工況中的峰值轉(zhuǎn)矩，得到聯(lián)軸器

關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。通過對(duì)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D的分析，得到聯(lián)軸器的受力情況及其薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)一步的改良和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 連桿式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

經(jīng)對(duì)普通膜片聯(lián)軸器的研究發(fā)現(xiàn)，普通的膜片聯(lián)軸器雖然在角度偏差和軸向偏差都具有一定的補(bǔ)償能力，但也有著自身的缺陷。首先對(duì)膜片的扭轉(zhuǎn)剛度要求比較高，這樣就對(duì)材料的要求比較高，從而成本也會(huì)增加;另外膜片聯(lián)軸器通過自身彈性形變?nèi)パa(bǔ)償各種偏差，當(dāng)偏差過大時(shí)會(huì)造成膜片受到較大的外力而使絞制孔或絞制螺栓磨損，因此膜片聯(lián)軸器也就不適用于長(zhǎng)期超載或者頻繁進(jìn)行大角度偏差補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合;當(dāng)膜片聯(lián)軸器進(jìn)行角度補(bǔ)償時(shí)，膜片發(fā)生形變必然會(huì)產(chǎn)生彈性力，而這彈性力就會(huì)間接的傳遞到與軸相配合的軸承上，產(chǎn)生軸承負(fù)荷。鑒于以上缺陷，本文提出了連桿式聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

1-鍵槽2-半聯(lián)軸器 3-關(guān)節(jié)軸承 4-中間軸 5-連桿 6-緊定螺栓組 7-緊定螺紋孔

連桿式聯(lián)軸器主要由半聯(lián)軸器、緊定螺栓、關(guān)節(jié)軸承、連桿、中間軸組成。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與緊定螺栓一端配合安裝，并將緊定螺栓固定到半聯(lián)軸器或中間軸的法蘭上;關(guān)節(jié)軸承外圈與連桿兩端的孔配合安裝，實(shí)現(xiàn)半聯(lián)軸器-緊定螺栓-關(guān)節(jié)軸承-連桿-關(guān)節(jié)軸承-緊定螺栓-中間軸的連接。

新型聯(lián)軸器通過關(guān)節(jié)軸承和連桿的搭配，使得角度偏差補(bǔ)償有了很大提升，而且角度補(bǔ)償?shù)臄?shù)值可以通過改變半聯(lián)軸器和中間軸的距離而改變;特定的連桿長(zhǎng)度保證了聯(lián)軸器在進(jìn)行角度偏差補(bǔ)償時(shí)無外力作用，從而避免了連接軸上的軸承負(fù)荷。根據(jù)加載平臺(tái)對(duì)聯(lián)軸器的尺寸要求，設(shè)計(jì)聯(lián)軸器主要部件的尺寸如表1所示。

回轉(zhuǎn)半徑連桿長(zhǎng)度中間軸內(nèi)徑中間軸外徑半聯(lián)軸器法蘭厚度緊定螺栓組頸徑連桿厚度

15002121.320002800400300250

2 聯(lián)軸器連桿分布及長(zhǎng)度確定的理論分析

本文所提及的連桿式聯(lián)軸器的關(guān)鍵就是連桿的長(zhǎng)度和分布，如圖3所示。聯(lián)軸器上的三根連桿成120°分布，而且連桿兩端孔的中心與回轉(zhuǎn)中心的連線成90°。

根據(jù)聯(lián)軸器實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀況建立幾何模型，如圖4所示，進(jìn)一步說明該結(jié)構(gòu)的連桿長(zhǎng)度及其分布特點(diǎn)。

在空間坐標(biāo)系OXYZ中，假定平面XOY為聯(lián)軸器連桿初始所在平面，A、B分別表示連桿的兩端孔中心，r表示聯(lián)軸器緊定螺栓組所在圓周半徑。當(dāng)聯(lián)軸器進(jìn)行角度補(bǔ)償時(shí)必定引起連桿的位置變化，假定連桿其中一端A固定，那么另一端B就會(huì)做弧線運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)所建幾何模型可知A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為

通過以上模型的論證可知，當(dāng)連桿兩端孔的中心與回轉(zhuǎn)中心的連線成90°時(shí)，在聯(lián)軸器進(jìn)行角度補(bǔ)償過程中，連桿長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變化，即連桿既不受壓也不收拉，避免了內(nèi)力對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響[3-4]。

3 連桿式聯(lián)軸器的ANSYS應(yīng)力分析

3.1 建立有限元模型及模型的導(dǎo)入

首先在pro/E中建立新型聯(lián)軸器的三維實(shí)體模型，并將模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入的ANSYS workbench中，選擇長(zhǎng)度單位并重新生成實(shí)體。簡(jiǎn)化模型，去除半聯(lián)軸器的套筒部分，保留法蘭盤，并將模型中的一些倒角元素進(jìn)行刪除。模型采用ANSYS自帶材料庫中的結(jié)構(gòu)鋼，其材料屬性如表2所示。在ANSYS 檢測(cè)出的所有接觸面中，根據(jù)聯(lián)軸器實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行接觸類型的重新設(shè)定[5-6]。

3.2 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對(duì)ANSYS分析起著關(guān)鍵作用，默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方法雖然求解速度快，但是特殊情況下很難保證準(zhǔn)確度[7]。為此，本文在默認(rèn)劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上設(shè)置單元類型為六面體，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行相應(yīng)細(xì)化[8]，如圖5所示。最終使得單元質(zhì)量均值達(dá)到0.79以上，保證了網(wǎng)格質(zhì)量，如圖6所示。

3.3 定義載荷和約束

聯(lián)軸器在工作過程中一直承受扭矩，為了直觀顯示受扭狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況，將模型中間軸的一個(gè)端面設(shè)為Fixed，半聯(lián)軸器斷面施加一個(gè)Moment，載荷值為工作峰值11000000N.M，設(shè)置界面如圖7所示。

3.4 計(jì)算求解與結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)樹solution中添加應(yīng)變應(yīng)力求解項(xiàng)，進(jìn)行求解[9-14]。得到聯(lián)軸器的變形云圖，如圖8所示;聯(lián)軸器的應(yīng)力分布云圖，如圖9所示，及連桿和緊定螺栓組的應(yīng)力云圖，分別如圖10和11所示。

通過對(duì)ANSYS的求解結(jié)果可以看出，此連桿式聯(lián)軸器的主要受力部位是在于連桿，和安放軸承的緊定螺栓組上。在聯(lián)軸器受扭的情況下，連桿受到拉應(yīng)力，由于兩端自潤(rùn)滑軸承的存在使得連桿成為二力桿，理論上應(yīng)該僅受拉或壓，其應(yīng)力云圖分布也應(yīng)均勻有序。但是通過對(duì)連桿應(yīng)力云圖的觀察，可以看出應(yīng)力分布云圖稍有偏差。主要原因是考慮到連桿的實(shí)際受力情況，在連桿與軸承之間設(shè)置了摩擦接觸。從這一點(diǎn)出發(fā)，正好可以解釋連桿應(yīng)力分布云圖所出現(xiàn)的偏差情況。同時(shí)，通過連桿的應(yīng)力云圖可以看出，連桿出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位正是與自潤(rùn)滑軸承相接觸的過渡邊緣處，應(yīng)力值約5.01×107Pa。

緊定螺栓組是支撐和連接連桿的核心組件并由多個(gè)部件組成，在聯(lián)軸器工作過程中主要承受彎矩，為了得到更好的仿真效果故將其整合化。通過對(duì)緊定螺栓組應(yīng)力云圖的分析，可以看出此組件的應(yīng)力主要集中在脖頸處，應(yīng)力值約3.5×108Pa，這也是整個(gè)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)當(dāng)中強(qiáng)度和剛度最薄弱的位置。因此在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，不管是在材料選擇還是熱處理方面，都要保證此處具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié) 論

本文對(duì)一種連桿式聯(lián)軸器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，通過幾何模型驗(yàn)證了聯(lián)軸器連桿與回轉(zhuǎn)半徑之間的空間關(guān)系。利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)其進(jìn)行了受扭工況下的應(yīng)力分析，并得到了主要零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。通過對(duì)應(yīng)力應(yīng)變分布云圖的觀察，確定了主要零件連桿和緊定螺栓組在工作工程中的載荷性質(zhì)，以及載荷的大小和分布位置，經(jīng)過分析對(duì)比，得到零部件的薄弱位置。

因此，為使聯(lián)軸器各個(gè)部件滿足足夠的強(qiáng)度和剛度要求，具有更長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝處理是必不可少的。綜上所述，依據(jù)加載平臺(tái)所要求的性能參數(shù)而建立的連桿式聯(lián)軸器，通過ANSYS在轉(zhuǎn)矩作用下的應(yīng)力分析，能夠保證加載平臺(tái)的安全運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)后期連桿式聯(lián)軸器的制造和改型也有一定的指導(dǎo)意義。

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（編輯：王 萍）