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GK2型内燃机车采用MTU16V396TC14型柴油机做内燃机。MTU柴油机与风扇藕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，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。根据目前的机车运行工作情况来看，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。类似的情况在其他工程领域也都不同程度的存在，因此研究弹性联轴器的工作状态是一项很有实际意义的课题。

1.2 研究课题的意义与作用

弹性联轴器的工作状态涉及多个方面，其中重要的一个方面是弹性联轴器在工作过程中的扭振现象，事实上，弹性联轴器的过早失效除了其本身质量问题外，更与柴油机的振动和万向轴未动平衡有关。由于万向轴存在着主动轴与从动轴转动不完全同步的问题，从动轴不能以等角速度转动，从而产生附加动载荷，引起扭转振动。它与柴油机产生的振动一起作用在弹性联轴器上，导致弹性联轴器的偏心度增大，使用寿命降低。

因此，本课题针对弹性联轴器在工作过程中的扭振现象，研究万向轴与联轴器的工作状态祸合关系，减少扭转振动，对于延长弹性联轴器使用寿命有着重要的意义。对于避免机车其他重要部件正常失效，提高机车运行时间与运行安全度，降低维修成本也有着重要的意义。

1.3 国内外扭振研究现状

由于六十年代末，七十年代初的几起汽轮发电机组的部件损坏和轴系断裂事故，严重影响生产造成了极大的损失，国外的一些厂家和组织开始了对汽轮发电机组的扭振机理，计算方法以及测试方法的研究和探讨。

目前国外的扭振课题主要从事以下研究：

(l）轴系扭振固有频率计算和现场实测。

(2）轴系的阻尼分析和不同机组，不同载荷下的阻尼测量。

(3）不同类型的机组的扭振响应计算。

(4）轴系在各种电气干扰下的疲劳寿命损耗分析，计算和在线检测等。

国内对扭振问题的研究比较晚，大多是对大机组轴系进行运行状态监测多侧重于横向振动的监测，一直到1985年大同断轴事故后，才引起国内广泛重视。80年代后期90年代初，国内许多研究单位和大中院校开始了这方面的研究，但力度和深度还不够，主要是由于这样几个原因造成的：首先是相对轴系扭振来说，轴系横向振动的发生更为常见，很多轴系故障，如转子不平衡、弯曲、不对中等，都可以通过对轴系横振信号的测取和分析进行监测,对轴系横向振动信号的测取（包括技术和设备）及分析也已经非常成熟。其次是由于轴系结构的复杂化使得对轴系扭振固有频率的计算较横振复杂的多，涉及轴系建模理论、结构模化方法、机网之间的相互关系等多方面，理论计算结果的准确性需要从实践中得到证实。然而，对扭振进行实时监控的最大障碍正是来自于扭振测试技术的落后。由于发生扭转振动时，轴系振副很微弱（发生扭转共振时例外），增加了扭振监测的难度。另外，目前对于扭振的很多是局限于刚性部分，对于粘弹性部分，比如橡胶元件则涉及的很少。

对轴系扭振特性的理论计算是检验动态分析的前提，也为改善轴系结构、预防扭振的发生提供理论基础。在这个方面己经国外已经有了成熟的理论，IEEE工作小组发表的文章中详述了一些经典的模型结构和数据，目前国外已经形成了很多有效的关于扭转系统固有频率的算法，对于工程应用具有很大的指导意义。

二十世纪初提出的Holzer法就是使用迭代法对多质量系统的固有频率进行计算的方法。Wilson 和Nestorides 描述了对包括转轴，调速器和联轴器等部件进行模化的方法以确定等效转动惯量和刚度。同时描述了将非分支系统的多转轴模化为单转轴系统进行计算的方法以及在Holzer中如何处理非分支系统。

Holzer法的一个延伸就是利用传递矩阵法计算轴系的固有频率。Pestel和Leckie对于在非阻尼和阻尼轴系系统中如何确定轴系的固有频率和模态振型进行了全面的阐述。在确定扭振系统或该系统对一特定边界条件响应的特征值的过程中必须对系统进行模化。

Pilkey和Leckie开发的用于分析带分支系统扭振系统的传递矩阵法包括将分支系统简化为一个等效单转子系统。这种方法要求将分支系统的参数累加在分支系统所属的轴段上。因为这种方法要求从主传递矩阵上消去分支系统的状态关系，这会导致用根搜索法求解时丢到合理的根。如下图1-2所示的一个频率范围内的分支系统的特征曲线，因为无限大而略去的特点会导致丢根。

Abhary提倡在模化集中参数扭振系统使用部分作图的方法。该技术的图示部分是帮助对一个有多个分支系统的扭振系统进行等效计算时一个简单的工具。一旦建立起等效模型，就建立对系统写出矩阵形式的方程，然后利用商业程序进行特征值分析，然后对于复杂系统，必须的等效计算时很耗时和乏味的。所以这种技术在扭振分析中使用并不好。

Mitchell对由Hibner用于转子横同振动分析中用到的方法进行了改造后开发了一种用于齿轮啮合扭振系统的多转子系统传递矩阵方法。对于模化多转子系统，这种多转子传递矩阵是简单而有效的，这种方法的优点包括：

(l）略去其他方法所必需的许多等效计算。

(2）为啮合齿轮的双方的相对状况建立了一个简单的传递矩阵。

(3）允许在模型中表征齿的挠性。

(4)在全局传递矩阵中考虑了所有状态信息。

(5）对分支系统的模化变得较为简单。

与这种方法相关的模化方法更容易用计算机去实现。

Blarding 开发了一种用Hibner/Mitchell多转子传递矩阵分析多转子系统，三维，共振响应的传递矩阵计算机程序。这个程序不仅包括扭转振动的响应，还包括了轴向和径向的响应。这种模型包含了多不同目由度的藕合因子。这个程序可以处理包括啮合齿刚度随时间的变化。此外，还可以考虑齿轮啮合的差错对扭转系统响应的影响。这些功能可以使程序更加精确地模化系统。然而，增加的功能会使程序变得更加复杂，计算机计算需要的时间也越长。

Tsai和Kuang业开发了一个使用多转子传递矩阵的计算程序，可以考虑齿轮啮合转子的弯扭耦合振动。

Doughty和Vafaee开发了一个用于确定简单扭振系统带阻尼的固有频率和模态振型传递矩阵计算程序。然而此程序只局限于分析等效单转子系统，而且所用的求根法为Newton-Raphson 代数法，有一定缺陷。用Newton-Raphson法要求输入一个初始根，这个值会影响整个的求解过程，此外这种方法需要对所求得函数进行推导求解，对于传递矩阵问题，这些推导只能是某种程度的近似，会影响求解过程。

Huang和Horng也开发了一种用Newton-Raphson求解的传递矩阵程序，该程序是用于带阻尼扭振系统的求解。程序采用的是Pestel和Leckie的两转子系统的分支技术，因为这种技术只是追踪主系统的状态值，所以用这个程序计算两转子系统的全部特征需要独立的系统模型。

由于轴系的弯曲振动和扭转振动是同时存在的，近年来国外对弯扭藕合振动的产生条件及原因进行了深入的探讨，得出了很多具有划时代意义的结果，这方面的许多成果是建立在对轴系模型的有限元分析基础上。

1.4 研究内容

研究表明，联轴器的过早损坏，往往是联轴器或相连部件工作不正常所致大功率柴油机输出转矩的不均匀性对传动装置的工作可靠性和寿命有重大影响。对多缸柴油机来说，由于以下四方面原因的存在：(l）柴油机气缸内爆发压力所产生的激振力矩是脉冲式周期变化的；(2）柴油机曲柄连杆机构的质量及惯性所产生的激振力矩是周期变化的；(3)接受功率部件所吸收的转矩不是定值，产生的激振力矩是随机变化的；(4）各缸功率不均衡偏差的客观存在及其分布的随机性导致柴油机输出转矩产生随机波动性等，致使柴油机输出转矩的不均匀性是无法避免的。其实际输出值是由其输出转矩的平均值和一系列不同振幅、不同频率和不同相位的简谐力矩叠加而成。在某些工作状态下，柴油机输出转矩的瞬时峰值甚至是其平均值的5-6 倍，或者更多。

最终导致联轴器失效的主要原因大致可归纳为下列几个方面：

(1）设计和选用上的原因。

(2）制造、安装和调整方面的原因。

(3）维护方面的原因。

(4）环境方面的原因。

这些原因从各个不同的角度影响到弹性联轴器在工作过程中的扭振现象。

本课题研究内容主要围绕着弹性联轴器在工作过程中的扭振的产生机理、影响效应、计算机模拟计算固有频率和动态特性等几方面展开。该联轴器实体造型如图1.3所示

上图中1为铁圈，通过圆面上的螺栓孔和电动机延伸出来的轴联接，属于被动端。2为橡胶元件，作为弹性联轴器的主要工作元件，起减振和缓冲的作用：3为铁圈，通过圆面上的螺栓孔和柴油机延伸出来的轴联接，属于驱动端。1和3中螺栓孔的位置的设计主要考虑到安装过程的方便性。

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