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转子-不对中花键联轴器系统动力学特性研究

赵广刘占生叶建槐陈锋
(哈尔滨工业大学能源学院哈尔滨 150001)

摘要:推导了花键联轴器不对中啮合力模型,基于有限元分析建立了考虑花键联轴器不对中效应的转子系统动力
学方程,数值计算模拟出不对中啮合力对转子-花键联轴器系统动力学特性影响规律。理论分析和仿真结果表明:
花键联轴器不对中啮合力与联轴器的结构参数、传递扭矩、静态不对中和动态振动位移等有关,且联轴器的刚度
并非一个恒定的常数,其与动态振动位移有关,并依赖于静态不对中。系统动力学特性表现为:花键联轴器连接
的转子系统没有不对中时,系统的响应以 1 倍频为主;存在不对中时,响应出现 2 倍频;不对中量增加时,响应
的轴心轨迹偏离原点,且各频率成分的幅值增加,系统的振动变得复杂。研究结果可以为花键联轴器连接的转子
系统的不对中故障诊断提供依据。
关键词:花键联轴器不对中啮合力转子系统
中图分类号:+5

导了三个非线性分析模型来模拟花键联轴器,研究
0 前言* 结果预测了由于内部摩擦等导致的转子系统失稳现
象,并被实验所验证。Sang Kyu[16] 利用Marmol的
据文献报道,旋转机械中的不对中故障占其总线性刚度系数和阻尼系数对松配合花键联轴器及其
故障的 70%以上,因此,研究不对中现象及其产生连接的转子-轴承系统进行全面数值计算和试验研
机理是至关重要的。大多数旋转机械需要通过联轴究。
器把扭矩由驱动部件传递到被驱动部件[1]。联轴器综合以上分析,主要集中在探讨花键联轴器刚
的种类很多,花键联轴器结构简单、可靠性高,因度、阻尼、磨损等方面。实验是获得花键联轴器刚
此在动力推进装置如火箭发动机、航空发动机[2]、度的有效手段,但其成本高昂,且由于不对中的存
大型船舶的主汽轮减速机组级间连接中具有广泛用在,获得其精确刚度是比较困难的;同时,对花键
途。由于花键联轴器联接的两转子支承条件苛刻、联轴器连接的转子系统进行研究的较少,没有把花
转速高或传递扭矩大,因此极易导致被连接的两转键联轴器刚度的计算、磨损失效及不对中导致的破
子产生不对中。花键联轴器的很小的不对中亦易导坏与转子系统综合起来进行分析,因此难以获得花
致花键端部的磨损,为花键联轴器的重复利用带来键联轴器失效和不对中产生的根源及其机理。
潜在的危害[3~5];同时不对中导致的转子系统振动也本文结合轮齿综合弹性变形的分析方法,获得
比较复杂,有时候很难做出合理判断和解释[6~9]。了单键的弹性变形;根据花键联轴器整圈键不对中
Marmol用数学表达式预估了花键联轴器横向状态下的变形几何关系,推导了联轴器在静态不对
和转角的刚度系数和阻尼系数,基于这些系数计算中和动态不对中状态下的啮合力模型,通过仿真获
了系统的自然频率,并和实验数据进行了对比[10]; 得了该啮合力随不对中变化的规律;在此基础上,
Banister给出了花键联轴器的弯曲刚度[11]。1994 年基于有限元法建立了考虑花键联轴器不对中效应的
的NASA报告[12]对花键联轴器的倾角刚度和阻尼进
转子系统动力学方程,并运用 Newmark- β数值积
行了深入的实验研究;Ku等也对花键联轴器的动