金属膜片联轴器简统化设计及强度分析研究

摘 要 为了减少高压三相异步电动机型式试验用联轴器的数量，增大互换性，降低生产制造成本，本文在满足试验质量和安全的前提下，对联轴器的简统化设计和强度进行了分析和研究。采用DJM系列金属膜片结构的挠性联轴器和配套使用的衬套能够实现简统化，采用ANSYS有限元软件对联轴器整体进行数值模拟，分析了联轴器的组件在使用过程中的应力应变。试验运行结果表明：DJM系列金属膜片联轴器能够满足简统化要求，强度能够满足试验要求，有限元分析结果能够有效指导联轴器的进一步优化。

关键词 膜片；互换性；简统化；数值模拟

中图分类号 TH133 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0162-03

联轴器是机械传动中的常用部件，传递运动和扭矩过程中一同回转而不脱开的装置，并且不改变转动的方向和转矩的大小，一般性结构的联轴器难以满足传动精度高、较高传动扭矩刚度的要求[1]。金属膜片联轴器依靠金属弹性元件的变形来补偿两轴线轴向、径向和角向的相对位移，消除两半联轴器相对扭转引起角度传递的误差和滞后，同时具有传动精度高、减振、缓冲的能力，且适合高速环境下传递高扭矩，因此其运用日益广泛。

高压电机型式试验中利用两台电机对拖的方式检测被试机的温升和效率特性，依据国标生产的高压电机类型种类繁多，为了保证试验的质量和电机的安全，亟需对联轴器进行简统化设计，以减少联轴器数量，实现最大的互换性，降低生产制造成本。同时需要进行联轴器强度校核，保证联轴器的强度满足试验要求，避免影响试验质量、电机性能和试验人员的人身安全。

1 高压电机参数分析

1.1 高压电机设计参数执行标准分析

本文重点对JB/T 7593《Y系列高压三相异步电动机技术条件（机座号355～630）》和GB/T 13957《大型三相异步电动机基本系列技术条件》两个标准下的高压电机设计参数（如：功率、转速、电机各部位尺寸和联接方式等）进行统计分析。主要可以得出以下几点内容：

1）电机的轴径与机座号（中心高）有一定对应关系，基本尺寸和极限偏差存在多组重合。

2）Y系列高压电机多采用GB/T 3852 中规定的A型平键联接。YR系列的高压电机多采用切向键联接，切向键按GB/T 1974《切向键及其键槽》要求设计。

3）同种中心高但不同极数的电机功率有较多重叠，同种极数但不同中心高的电机功率均不相同。

4）不同轴伸直径的高压电机键槽尺寸和极限偏差同样存在多组重合。

1.2 高压电机型式试验执行标准分析

高压电机型式试验按GB/T 1032国标要求执行，试验时电动机的最高转速依据电机设计时的转差率而定，需进行超速试验。同时，电机需做短时过转矩试验，试验转矩为1.5倍电机额定转矩，历时15s。上述试验要点均对联轴器设计的安全性提出了较高的要求。

2 联轴器简统化构想

在功率匹配上的考虑，电机对拖试验时，陪、被试机在功率匹配要求上可以有一定的浮动，被试机的功率可以在陪试机功率的70%～100%间进行浮动，不同种电机进行对拖的情况是（不）同一中心高下、（不）同功率与（不）极数等级间的匹配试验。据检测试验站试验情况和试验标准分析，P被=（1～70%）P陪。

不同种电机进行对拖试验时受到电机中心高、轴径、电机极数和功率的综合因素影响，为了保证试验质量，在满足试验质量和安全的前提下进行联轴器简统化设计，具体配对情况如下所示。

1）两台相同电机对拖（同中心高同极数同功率）。

2）两台不同电机对拖。①同中心高同极数不同功率电机（陪试机为大功率电机，被试机为小功率电机）②不同中心高同极数不同功率（陪试机为大功率电机，被试机为小功率电机）③同中心高不同极数同功率电机（变频电机，如表1）④不同中心高不同极数同功率电机（变频电机，如表1）⑤同中心高不同极数不同功率电机（变频电机，变频与极数变化情况同表1，陪试机为大功率电机，被试机为小功率电机）⑥不同中心高不同极数不同功率电机（变频电机，变频与极数变化情况同表1，陪试机为大功率电机，被试机为小功率电机）

3 联轴器设计要求

依据一般联轴器设计的要求和方法，结合实际试验情况，对符合实际要求和使用的联轴器进行分析设计，既满足使用效率又满足试验质量及安全。

3.1 联轴器的选型设计

对试验环境进行细致分析后，比较不同联轴器之间的异同点，金属膜片联轴器具备橡胶元件联轴器所有的优点外还具备轴向推力小、使用寿命长和减振等优点，保证传递动力的精度。传递同样大小的扭矩时，金属膜片联轴器比其他联轴器具有体积更小，重量更小，维护方便，节约成本[4]。

3.2 联轴器的整体设计

通过研究联轴器的设计标准后，不同极数所对应的轴径在一定功率范围内选用最大转矩和最大同步转速最为联轴器选取输入参数，选用DJM系列联轴器，该种联轴器不需，如图1和图2所示为金属膜片式联轴器及各组件组装方式。考虑到联轴器重量对转动惯量的影响，增多相应联轴器型号，避免重量对试验质量的影响。

中心高在710～1120mm之间的6000V和10000V的Y系列或YR系列高压电机在四个相同轴伸端直径的基础上所选用的联轴器型号相同，说明不论是6000V和10000V的Y或YR系列电机均可用这四种联轴器进行试验。联轴器参数依据电机轴伸端直径和许用转矩的变化选取，保证同（不同）中心高下变频电机与（非）变频电机间的对拖，根据轴孔配合标准和实际设计经验得出轴孔的公差配合为间隙0.08mm的间隙配合。

3.3 联轴器配件衬套设计

根据国标设计的电机具有不同的轴伸端长度，为了能够实现更多半边联轴器之间的匹配使用，需在轴身部位垫加衬套，不同轴径下的同种宽度轴套也不能相互代用，所以衬套长度有9中类别，不同电机间的匹配试验时，衬套长度随电机轴径相对应选用，衬套及安装方式如图3和图4所示。衬套的内径按电机轴伸端直径设计，与轴配合采用间隙配合，间隙公差为0.2mm，内表面粗糙度要求较高，硬度应低于电机轴硬度，避免划伤电机轴伸端外表面。