第1章 绪论
1.1 课题来源
弹性联轴器是应用广泛的机械零部件，在工业生产，石油，化工，冶金等工业部门都有应用，弹性联轴器的使用状况直接关系到机械设备的安全及寿命问题，尤其是一些重要场合，弹性联轴器的失效问题往往引起人们的极大关注，例如某公司的GKZ型内燃机车采用MTU16V396TC14型柴油机做内燃机。MTU柴油机与风扇偶合器采用万向轴来传递动力。为了缓和冲击力，柴油机输出轴与万向轴联接采用弹性联轴器。0002#机车使用7年后，弹性联轴器被剪断，剪断后的联轴器如图1.1所示。更换同种型号的弹性联轴器后，使用未到一年又被剪断，而同一型号的0001#，0003#机车使用时间以达9年，但弹性联轴器依然完好如初。
内燃机车柴油机所使用的弹性联轴器的工作特点与一般机械上的弹性联轴器不同，柴油机起动时，动力由电机端通过辅助万向轴经弹性联轴器传到柴油机。联轴器的工作耦合图见图1.2。一旦起动成功，则动力改由柴油机端传入，经弹性联轴器与万向轴输出带动电机。因此，万向轴与弹性联轴器工作状态的耦合情况，特别是弹性联轴器在短时间内承受反转扭矩所产生的扭转振动对弹性联轴器的失效可能有重要的影响。机车柴油机输出轴与万向轴之间的弹性联轴器的失效问题已成为急待解决的技术问题之一。因此，在对弹性联轴器进行一般性的研究基础上，还需要研究联轴器在不对中的工作情况下，扭矩输入输出方向反转特性对其动力及强度特性的影响。
1.2 国内外研究现状
目前国内外对弹性联轴器不对中情况的研究比较少，主要集中在对转子系统的动态及稳态的特征分析，还有不对中对联轴器应力的影响，以及叠片联轴器和垫片联轴器的力学模型的建立方面。
西安矿业学院的李明在文献中，根据内齿轮副的啮合条件和拉格朗日方程，建立了转子--齿轮联轴器系统的弯扭耦合振动方程。对方程进行数值积分求解。结果表明，对于不对中轴系会产生偶数倍频的弯曲振动分量和奇数倍频的扭转振动分量。在文献中，对不对中齿轮联轴器连接的轴承--转子系统进行了动力学分析，讨论了齿轮联轴器不对中力的组成。理论分析表明：齿轮联轴器的不对中而产生的作用力是联轴器内齿套的惯性力和联轴器内阻尼共同作用的结果，转子系统的稳态响应振幅与齿轮联轴器的不对中量、内阻尼、转子的转速和齿轮联轴器的结构参数有关，用非线性稳态响应特征进行数值模拟，结果显示在弯曲振动中转子系统会产生工频的2,4,6,8，…等偶数倍频分量；而在扭转振动中会产生工频的1,3,5,7，…等奇数倍频分量，并且这些倍频分量在齿轮联轴器附近处表现得非常明显。在文献研究中，研究了由齿式联轴器联接的高速重载转子系统不对中时的动态特性，获得了联轴器在工作状态及锁定条件下系统对激励力的动态响应特征。陆传荣等人在文献中重点介绍了大转矩弹性联轴器研制中所进行的静扭转试验、动态特性试验和静态隔声（结构噪声）的测试，以及试验设备和测试系统的研制。文中还介绍了测试的方法，这些试验设备自行研制成功，满足了某船轴系弹性联轴器测试要求。文献从理论和试验两方面，研究四种弹性联轴器对柴油机输出转矩不均匀性的衰减效果及衰减规律。主要分析联轴器的扭转刚度和输入转速对柴油机输出转矩不均匀性的影响，为选择和改进弹性联轴器提供科学依据。周慧英在文献中，介绍了一种新型弹性联轴器的结构，并对联轴器的结构、刚度进行了分析，对联接设计、金属弹性元件的材料进行了计算分析，谢华银等人在文献中在最新改进研制成功的弹性联轴器动态试验台上，对进口及国产的二大系列共九种橡胶弹性联轴器在胶料硬度、橡胶内容物、外形尺寸、试验频率及温度等影响动态特性的因素方面进行了试验研究。同时对试验台二项验证试验。并首次应用相似理论进行了模拟试验。
在文献中，采用叠片联轴器补偿系统在运行过程中产生的不对电研究了一种新型结构叠片联轴器——关节轴承式叠片联轴器，引进关节轴承，使得两轴线之间的角不对中补偿能力由1.00-1.50提高到40-60。分别用经典力学和ANSYS有限元分析了3种不同尺寸规格关节联轴器，得出应力最大值所处的位置及3种规格关节联轴所能补偿的角不对中的能力，为关节联轴器的设计提供了理论依据。文献分析了叠片联轴器使用中的轴向不对中特性，利用ANSYS中的功能模块建立力学模型，结合约束方程的使用考虑了垫片预应力对叠片受力分析的影响。轴不对中对叠片联轴器膜片应力的影响强调了对叠片轴器膜片应力进行分析的必要性，用有限元程序对某种型号的膜片组进行强度计算。给出在不同转速和不同角不对中情况下的计算结果，并着重分析比较了这两种因素变化对膜片应力大小的影响及其影响程度，其结果对膜片组设计有参考价值。申屠留芳在文献中，对链扳式叠片联轴器膜片应力进行了深入的讨论，得出在转矩和角不对中作用下的计算模型，并着重分析比较传递不同的功率、两轴线间产生不同的角不对中对膜片应力的影响及其影响程度。计算结果对设计新型的叠片联轴器有一定的参考价值。李静等人在文献中，建立了DBQ系列塔机臂架系统中销轴联接的三维实体有限元模型，分析了臂架不同位销轴联接的应力分布情况，为该类型塔机联接销轴的疲劳设计、可靠性分析提供了数据。
橡胶类材料在工程中的应用日益增加．由于橡胶材料在受力后，产生大位移、大变形，且材料本身是非线性的，而且在变形过程中其体积几乎不变，因此有必要研究橡胶材料的有限变形弹性理论．有限变形弹性理论的重要课题之一就是提出合理而适用的本构关系．很多作者提出了各种本构关系。闰立平等在文献中提出了一种简单的橡胶材料本构关系，通过对立方体单元的典型大变形分析，揭示了这类材料的大变形特征并得出了对材料常数的限制条件。1973年Knowles与Sternberg给出了一种本构关系，并分析了裂尖场。针对像胶材料，采用高玉臣在1990年和1997年分别提出两个本构关系，一个是将应力偏量与静水应力分离，另一个是将拉应力与压应力分离。1990年高玉臣从形变与体积变的角度出发给出了一种本构关系。1997年高玉臣从抗拉与抗压角度出发，提出了第二个本构关系。并利用这两种本构关系和分区思想及合理的变形模式，分别对裂纹、锥体、缺口、界面裂尖场等进行了研究。文献利用文献中的本构关系分析了立方体单元的典型大变形。高玉臣等人利用这两种本构关系分析了橡胶楔体、橡胶缺口等典型问题. 北京航空航天大学的徐明在文献提出了超弹性材料的新应变能函数，并由此应变能函数推导了橡胶类材料的非线性本构关系。利用非线性最小二乘方法对多种实验数据同时进行数据拟合需三个材料常数就可以描述橡胶类材料高度的非线性应力-应变关系。
闰相桥在文献中建立了一个橡胶复合材料结构有限元分析模型。在该模型中，考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性。此外，此文还利用该模型研制的有限元分析软件对全钢丝子午胎的变形轮廓进行了详细的分析。赵慧娟等人在文献通过拉伸和扭转实验以及理论分析发现：在扭转实验中，当等效名义伸长率达到286％时发生扭断，在此之前无明显局部化现象出现；相比较而言，单轴拉伸实验中的试件在颈缩失稳断裂时标距的最大伸长率仅为29％。因此，用实心圆柱的扭转作为研究弹塑性材料在大变形特征下更为有效的基本实验，并通过数值模拟对在扭转过程中弹性核演变的历史进行了分析。
梅力彪等人在文献一文中建立了夹层橡胶支座在轴压下有限元计算的简化模型，并进行了非线性有限元分析，研究了夹层钢板的应力重分布规律和轴压破坏机理，轴压承载力计算结果同已有的轴压承载力试验结果符合较好。在文献中建立橡胶复合材料层间疲劳破坏的数学模型，通过对疲劳机理的分析，确定了以脱层长度和裂纹密度表示的层间疲劳损伤演化的一般模式，利用指数法则建立了脱层长度和裂纹密度随疲劳循环周次变化的关系，以等效六层的材料模型对循环载荷下的层间剪切应力进行了三维非线性有限元分析；根据疲劳损伤扩展的阶段性，引入分段系数，分别建立了平均应变与载荷循环周次的分段线性模拟模型、有效刚度随载荷循环周次的变化关系模型、裂纹密度变化和脱层长度变化关系随载荷循环周次变化的分段线性模型以及疲劳裂纹密度和有效刚度关系的经验模型。在此基础上，预报了疲劳裂纹密度和脱层长度随疲劳载荷周期变化的疲劳损伤演化过程。
这些研究对于本课题的理论分析和计算机模拟都具有很好的指导作用。
1.3 本课题的研究内容和方法
不对中是旋转机械最为常见的故障之一，在所测得的机械故障中，60％的故障与不对中有关。具有不对中故障的转子系统在其运转过程中将产生一系列对设备有害的动态响应，例如引起设备的振动、联轴器的偏转、轴承的磨损和油膜的失稳、轴的挠曲变形等，危害极大．所以，对不对中情况的研究具有重要的现实意义．同时，由于设计和结构方面的因素，以及材质不均匀、制造安装误差等原因，实际转子—轴承系统的中心惯性主轴都或多或少地偏离其旋转轴线。这样，当转子旋转时各微元质量的离心惯性力组成一组不平衡力系。
因此，本文从第二章开始介绍了系统介绍了联轴器的特点以及联轴器的选择，中间特别提到弹性联轴器以及高弹性联轴器。在第三章中通过引入弹性联轴器的刚度及阻尼，对弹性联轴器进行了运动分析和动力分析，计算出不对中对联轴器的动态特性的影响。在第四章中利用力学中的应力分析方法，分析了联轴器在轴向不对中、径向不对中、角向不对中以及综合不对中状态下的应力情况。得出了四个不同位置时的最大主应力，从而得出了各种不对中状态产生的附加载荷的影响。在第五章中利用ANSYS软件进行有限元分析，考虑到联轴器橡胶材料的非线性特性，在模拟几种不同的不对中的情况时，都是进行了大变形的非线性分析。得出了各种不对中状态下的综合位称动图、Von Mises 应力动图、Von Mises应变动图。从面更直观地分析不对中对联轴器工作状态的影响。
本课题的研究对联轴器的失效原因提出了合理的解释，其结论对实际的安装、调整、日常维护以及失效预防都有良好的指导意义。
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