煤炭火力发电机组中蛇簧联轴器的模态分析

[摘 要] 本文以煤炭火力发电机组中使用的蛇形弹簧联轴器为研究对象，首先通过建立等效的系统来对蛇形弹簧联轴器进行了基本的振动特性分析；并且通过PRO/E建立了蛇簧联轴器的三维实体模型，借助大型有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行了前4阶模态分析，得到了蛇簧联轴器的低阶固有频率以及各阶振型，通过计算分析给出了如何避免共振产生的方法。这对解决实际工程结构的振动问题，避免共振现象的产生，有一定的参考价值，同时也为后期的结构改进提供了可靠的参考依据。

[关键词] 模态分析； 固有频率； 蛇簧联轴器； 振动

[中图分类号] TH133.4 [文献标识码] A

前言

煤炭在我国能源消费结构中的比例一直很高，其中煤电在电力装机总量中高达75%，随着煤矿火力发电的发展，蛇形弹簧联轴器被广泛的运用于煤炭火力发电中作为煤矿输送皮带机的连接设备。蛇簧联轴器是由左右半联轴器、蛇形弹簧、防护罩等主要结构组成的一种机械结构，它是依靠几组蛇形弹簧绕在两个半联轴器的齿间产生的周向力来传递运动和转矩的。因此蛇簧联轴器即兼有了刚性联轴器（比如齿轮联轴器）之经济和传递大扭矩特点以及弹性联轴器（比如弹性活销联轴器）的减震缓冲的优点，同时还具有安全联轴器过载保护的优点以及装拆方便的优点。

但是，由于煤矿输送皮带机的不稳定性，使得该联轴器的工作转速不能够确保始终在某一固定的转速下运行工作，这就会导致一个问题：当工作转速比较高时，蛇形弹簧联轴器所传递扭矩就会减小，但是由于高转速的原因，很容易使得该联轴器发生振动，造成整个结构系统的共振，进而造成系统的疲劳破坏，极大影响了整个煤矿火力发电机组的正常工作。

本文通过运用理论的数值分析方法对联轴器的设计提出改进，并利用有限元分析软件对蛇簧联轴器进行模态分析，确定结构中的振动特性，得出的研究结果为解决蛇簧联轴器的振动现象提供了理论依据，同时模态分析也是结构的动力分析、谐响应分析以及静力试验的基础。

2 蛇簧联轴器的模态分析

本次研究对象为煤矿火力发电中输送皮带机上常用的JS9型蛇簧联轴器，对其进行模态分析就是确定联轴器的振动特性，并可得出蛇簧联轴器在运转中发生共振的条件。

ANSYS Workbench Environment（AWE）作为新一代的仿真环境，提供了许多优秀的系统解决方案。在在AWE里，模态分析流程一般如图2所示：

2.1 联轴器有限元模型建立

JS9型蛇簧联轴器的性能参数如上表1所示，同时为了缩小求解规模并根据联轴器的特点，对几何模型做了必要的简化，主要是去掉模型中较小的倒角、圆角。根据国家标准JB/T8869-2000规定，应用PRO/E构建出JS9联轴器YA100×127/YA100×127三维实体模型，并完成其装配（以联轴器的轴线方向为Z轴）。然后通过PRO/E与ANSYS Workbench的接口，将其导入ANSYS Workbench里，各实体间会自动生成接触对，并选择分析类型为Modal（模态分析）。

2.2 定义材料及网格划分

蛇簧半联轴器由Q235钢制成，该材料的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3；蛇形弹簧的材料是60Si2Mn弹簧钢，其弹性模量为205GPa，泊松比为0.29，密度为7850kg/m3。

有限元法的基础是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。一般情况下，把三维实体划分为四面体或者六面体单元的网格。在网格划分时，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模大小。本次采用四面体单元和六面体单元对联轴器进行网格划分，如图3所示，划分后有29747个节点，10742个单元。

2.3 施加约束

3 结论

本文针对煤矿发电输送皮带机上使用的蛇簧联轴器发生振动的现象，对其进行了振动分析。一方面，从理论数学模型出发，给出了通过改善联轴器振动性能的措施；另一方面，利用有限元分析，在ANSYS Workbench里对其进行了模态分析，计算出前4阶的固有频率以及最大位移量，并进行了各阶振型的深入分析。

在以上分析的基础上，给出以下两个建议：①在联轴器的设计阶段，蛇簧截面的厚度和高度比即h/b应该增加，但是随着转矩变大，这个比值要变小。②要使联轴器的工作转速避开临界转速一定范围，一方面可以更改蛇簧联轴器的型号，选择径向尺寸大

点的联轴器；另一方面，通过变速箱来控制蛇簧联轴器转速在1916r/min以内，同时在材料上可以选择弹性模量大点的材料。这些都有利于改善联轴器的振动。

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