加载平台连杆式联轴器设计与分析

2019-06-03邵俊鹏崔仕海王希贵李光毅

哈尔滨理工大学学报 2019年2期

邵俊鹏崔仕海王希贵李光毅

摘要：针对某一风力发电机组六自由度加载实验平台的需求，设计了一种连杆式联轴器。该联轴器一端与加载平台嵌接，在补偿加载平台所产生的各向角度及位置偏差的同时并能稳定的传递扭矩。考虑到普通膜片式联轴器的各向偏差补偿能力小，角度补偿过程中会产生额外的轴承负荷等问题，该联轴器采用连杆代替原有的膜片结构;连杆两端采用关节轴承连接，在提升各向偏差补偿能力的同时而不产生轴承负荷。基于空间几何知识建立了该联轴器连杆的分布与长度关系的数学模型。为了进一步对此联轴器进行研究，先利用ANSYS workbench对联轴器静载转矩工况进行了应力分析。得出主要部件的应力应变分布云图，并进行强度校核。

关键词：连杆;联轴器;偏差补偿;应力分析

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.001

中图分类号： TH133.4

文献标志码： A

文章编号： 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

基金项目：

国家国际科技合作专项项目（2012DFR70840）.

作者简介：

邵俊鹏（1957—），男，博士，教授，博士研究生导师;

王希贵（1972—），男，博士，副教授.

通信作者：

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

0 引言

联轴器是广泛应用于两轴（主动轴和从动轴）之间的连接装置，其目的就是实现两轴的共同旋转以传递扭矩。同时在传动过程中要求其应具有缓冲、减振和提高轴系动态性能的特性，通常使用的柔性联轴器有弹性联轴器、膜片联轴器、万向联轴器等。在所有的柔性联轴器中，他们各具特点。但是他们的使用环境都有一定的局限性，即两轴的对中度不能偏差太大，而且在运转过程不能出现大的位置偏移，只能在允许的偏差范围内机动。

本文所提出的连杆式联轴器主要应用于某一大型风力发电机加载平台之上。此加载平台采用六自由度加载，可以实现空间状态下的各种位姿。因此，为了保证联轴器能高效稳定的传递转矩，就要求联轴器能够承受加载平台作用于其身上的拉、扭、压等各種随机载荷，并具有较高的轴向、径向以及角度上的偏差补偿能力。目前，应用在风电领域或者具有良好的多方向补偿能力的联轴器主要以膜片联轴器为主，它是利用自身所带膜片发生弹性变形的原理进行偏差补偿。膜片发生弹性变形后产生的恢复力会强加到联轴器上，因此膜片联轴器的功能更多体现在维持两轴对中原状。如果将膜片联轴器应用于风力加载平台上，膜片的弹性恢复力将会阻碍加载平台的自由运动，造成加载力的失调，从而会使整个加载系统处于阻尼干涉状态[1-2]。

本文在综合考虑了普通柔性联轴器的补偿特点及其特殊应用场合下，提出了连杆式联轴器。首先通过对连杆式联轴器进行结构介绍。根据加载平台所需联轴器的参数要求，建立了连杆式联轴器三维模型如图1所示（连杆式联轴器处于补偿状态）。

建立了联轴器回转尺寸与连杆长度关系的数学模型，通过空间几何关系对连杆分布及长度的选取进行了理论论证。对联轴器进行模型优化，通过ANSYS workbench对其进行应力分析。根据联轴器工作载荷的要求，施加工况中的峰值转矩，得到联轴器

关键部件的应力应变分布云图。通过对应力应变云图的分析，得到联轴器的受力情况及其薄弱环节，并对其进一步的改良和优化提供了参考依据。

1 连杆式联轴器的结构特点

经对普通膜片联轴器的研究发现，普通的膜片联轴器虽然在角度偏差和轴向偏差都具有一定的补偿能力，但也有着自身的缺陷。首先对膜片的扭转刚度要求比较高，这样就对材料的要求比较高，从而成本也会增加;另外膜片联轴器通过自身弹性形变去补偿各种偏差，当偏差过大时会造成膜片受到较大的外力而使绞制孔或绞制螺栓磨损，因此膜片联轴器也就不适用于长期超载或者频繁进行大角度偏差补偿的场合;当膜片联轴器进行角度补偿时，膜片发生形变必然会产生弹性力，而这弹性力就会间接的传递到与轴相配合的轴承上，产生轴承负荷。鉴于以上缺陷，本文提出了连杆式联轴器，结构组成如图2所示。

1-键槽2-半联轴器 3-关节轴承 4-中间轴 5-连杆 6-紧定螺栓组 7-紧定螺纹孔

连杆式联轴器主要由半联轴器、紧定螺栓、关节轴承、连杆、中间轴组成。关节轴承内圈与紧定螺栓一端配合安装，并将紧定螺栓固定到半联轴器或中间轴的法兰上;关节轴承外圈与连杆两端的孔配合安装，实现半联轴器-紧定螺栓-关节轴承-连杆-关节轴承-紧定螺栓-中间轴的连接。

新型联轴器通过关节轴承和连杆的搭配，使得角度偏差补偿有了很大提升，而且角度补偿的数值可以通过改变半联轴器和中间轴的距离而改变;特定的连杆长度保证了联轴器在进行角度偏差补偿时无外力作用，从而避免了连接轴上的轴承负荷。根据加载平台对联轴器的尺寸要求，设计联轴器主要部件的尺寸如表1所示。

回转半径连杆长度中间轴内径中间轴外径半联轴器法兰厚度紧定螺栓组颈径连杆厚度

15002121.320002800400300250

2 联轴器连杆分布及长度确定的理论分析

本文所提及的连杆式联轴器的关键就是连杆的长度和分布，如图3所示。联轴器上的三根连杆成120°分布，而且连杆两端孔的中心与回转中心的连线成90°。

根据联轴器实际的运动状况建立几何模型，如图4所示，进一步说明该结构的连杆长度及其分布特点。

在空间坐标系OXYZ中，假定平面XOY为联轴器连杆初始所在平面，A、B分别表示连杆的两端孔中心，r表示联轴器紧定螺栓组所在圆周半径。当联轴器进行角度补偿时必定引起连杆的位置变化，假定连杆其中一端A固定，那么另一端B就会做弧线运动。

根据所建几何模型可知A、B两点的坐标分别为

通过以上模型的论证可知，当连杆两端孔的中心与回转中心的连线成90°时，在联轴器进行角度补偿过程中，连杆长度不会发生变化，即连杆既不受压也不收拉，避免了内力对传动系统的影响[3-4]。

3 连杆式联轴器的ANSYS应力分析

3.1 建立有限元模型及模型的导入

首先在pro/E中建立新型联轴器的三维实体模型，并将模型进行格式转换并导入的ANSYS workbench中，选择长度单位并重新生成实体。简化模型，去除半联轴器的套筒部分，保留法兰盘，并将模型中的一些倒角元素进行删除。模型采用ANSYS自带材料库中的结构钢，其材料属性如表2所示。在ANSYS 检测出的所有接触面中，根据联轴器实际运动状态进行接触类型的重新设定[5-6]。

3.2 对模型进行网格劃分

网格的划分对ANSYS分析起着关键作用，默认的网格划分方法虽然求解速度快，但是特殊情况下很难保证准确度[7]。为此，本文在默认划分网格的基础上设置单元类型为六面体，并对关键部位进行相应细化[8]，如图5所示。最终使得单元质量均值达到0.79以上，保证了网格质量，如图6所示。

3.3 定义载荷和约束

联轴器在工作过程中一直承受扭矩，为了直观显示受扭状态下的应力分布情况，将模型中间轴的一个端面设为Fixed，半联轴器断面施加一个Moment，载荷值为工作峰值11000000N.M，设置界面如图7所示。

3.4 计算求解与结果分析

在设计树solution中添加应变应力求解项，进行求解[9-14]。得到联轴器的变形云图，如图8所示;联轴器的应力分布云图，如图9所示，及连杆和紧定螺栓组的应力云图，分别如图10和11所示。

通过对ANSYS的求解结果可以看出，此连杆式联轴器的主要受力部位是在于连杆，和安放轴承的紧定螺栓组上。在联轴器受扭的情况下，连杆受到拉应力，由于两端自润滑轴承的存在使得连杆成为二力杆，理论上应该仅受拉或压，其应力云图分布也应均匀有序。但是通过对连杆应力云图的观察，可以看出应力分布云图稍有偏差。主要原因是考虑到连杆的实际受力情况，在连杆与轴承之间设置了摩擦接触。从这一点出发，正好可以解释连杆应力分布云图所出现的偏差情况。同时，通过连杆的应力云图可以看出，连杆出现应力集中的部位正是与自润滑轴承相接触的过渡边缘处，应力值约5.01×107Pa。

紧定螺栓组是支撑和连接连杆的核心组件并由多个部件组成，在联轴器工作过程中主要承受弯矩，为了得到更好的仿真效果故将其整合化。通过对紧定螺栓组应力云图的分析，可以看出此组件的应力主要集中在脖颈处，应力值约3.5×108Pa，这也是整个联轴器结构当中强度和刚度最薄弱的位置。因此在设计生产过程中，不管是在材料选择还是热处理方面，都要保证此处具有足够的强度和刚度。

4 结论

本文对一种连杆式联轴器進行了结构分析，通过几何模型验证了联轴器连杆与回转半径之间的空间关系。利用ANSYS有限元分析软件，对其进行了受扭工况下的应力分析，并得到了主要零部件的应力应变分布云图。通过对应力应变分布云图的观察，确定了主要零件连杆和紧定螺栓组在工作工程中的载荷性质，以及载荷的大小和分布位置，经过分析对比，得到零部件的薄弱位置。

因此，为使联轴器各个部件满足足够的强度和刚度要求，具有更长的使用寿命，对这些关键零部件进行相应的结构优化及工艺处理是必不可少的。综上所述，依据加载平台所要求的性能参数而建立的连杆式联轴器，通过ANSYS在转矩作用下的应力分析，能够保证加载平台的安全运行。同时，对后期连杆式联轴器的制造和改型也有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 申屠流芳，张相炎.关节轴承式膜片联轴器设计[J].机械科学与技术，2004，23（1）：43.

[2] 申清潭. 膜片式联轴器失效机理探讨[J]. 武汉冶金科技大学学报：自然科学版，1999（4）：364.

[3] 张超. 施密特平行轴联轴器弹性动力学建模与分析[J]. 机械传动，2010（7）：68.

[4] 朱金榴，胡秉臣. 双万向联轴器静力分析[J]. 吉林工业大学学报，1995（4）：72.

[5] 申清潭. 膜片式联轴器失效机理探讨[J]. 武汉冶金科技大学学报：自然科学版，1999（4）：364.

[6] 王影，郭永存.利用ANSYS workbench 对蛇形弹簧联轴器进行应力分析[J].机械设计与制造，2011（1）：90.

[7] 刘景明，闫兵.膜片式联轴器结构对其扭转刚度的影响分析[J].机械工程与自动化，2016（1）：79.

[8] 秦柏，邵俊鹏，张艳芹，等. 环形橡胶径向刚度特性仿真分析[J]. 哈尔滨理工大学学报，2009（3）：51.

[9] 王开奇，孙长江，徐鹏. 膜片联轴器膜片结构强度分析研究[J]. 江苏船舶，2011（2）：12.

[10]周德繁，高炳微，智政. 重型龙门镗铣床横梁有限元分析与结构优化[J]. 哈尔滨理工大学学报，2013（2）：72.

[11]张德智，刘文斌，汪桂林，等. 粗轧机十字万向轴中间接轴力学分析[J]. 重型机械，2006（6）：52.