圆环型联轴器膜片的分析研究

[摘 要]本文介绍了膜片联轴器的结构及工作原理，并对其膜片的受力情况进行了详细的分析。结合某公司新型圆环型联轴器膜片，利用ANSYS软件分别对不同工况下的膜片进行应力分析。并对结果进行分析比较，找出对膜片应力影响最大的因素，并且定性分析膜片的应力最大区域，研究结果为膜片的疲劳寿命计算提供了参考，为膜片的设计和安装提供了理论依据。

[关键词]膜片联轴器 应力分析 圆环型膜片

中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0124-01

1 工程背景

联轴器是用来联接两轴，传递扭矩的一种机械装置，在国民经济领域有着广泛的应用。膜片联轴器是其中应用最广泛的，其靠膜片的弹性变形来补偿两轴的相对位移，是一种高性能的金属元件挠性联轴器，其强度高、寿命长，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动[1]。

膜片联轴器主要由膜片组、法兰盘和连接螺栓组成[2]。文中根据联轴器的结构和工作特点，针对工程中常见的圆环型膜片，采用ANSYS软件对不同工况下的膜片进行分析计算。

2 膜片的应力分析

具体工况可分为下面三种情况：

（1）转矩传递引起的薄膜应力

在膜片的8个对称的螺栓中，4个为主动螺栓，4个为从动螺栓，膜片联轴器传递转矩T时，主动螺栓带动从动螺栓，假设每个螺栓所受的力大小相等，螺栓分布圆的直径为D，则每个螺栓所受的力F=T/2D，根据力的作用相互性原理，每个螺栓对膜片孔的作用力F=T/2D，对于所分析的1/4膜片而言，其方向沿着分布圆切线方向作用于中间螺栓孔一侧中部，分析时，须固定其轴向位移和径向位移[3]。

（2）离心惯性力产生的离心应力

膜片联轴器常用于联接两个高速旋转的轴，而高转速机械的离心惯性力在结构应力计算中十分重要，其离心惯性力可近似等于径向单位体力。

即

式中r为半径、n为轴的转速、为膜片材料密度。固定中间螺栓孔的轴向位移、径向位移和周向位移。

（3）轴向变形引起的膜片弯曲应力

在联轴器安装时，膜片沿轴线方向由于安装误差会产生一定的偏移，因此膜片在工作时会发生弯曲变形。此种状态下，位移加载在中间螺栓孔处的轴线方向，径向位移和周向位移固定。

3 有限元方法求解和实例计算

3.1 技术参数

下面对某公司新型膜片联轴器的圆环型膜片进行不同工况条件下的有限元分析，其技术参数如下：

（1） 单个膜片的结构尺寸如图1所示，其中膜片厚度为0.5mm。

（2）膜片的数量为20层。

（3）联轴器的转速n=3650r/min，传递功率450kw。

（4）膜片材料采用耐高周疲劳的0Cr18Ni92/3H不锈钢片。

3.2 应力结果计算

3.2.1 转矩传递引起的膜片应力

联轴器通过20层膜片上的8个螺栓将转矩从一端传递到另一端。通过ANSYS仿真可得，转矩作用下，最大Mises应力，发生在中间螺栓孔的内边缘，扭转作用下的最大主应力，同样发生在中间螺栓孔的内边缘。

3.2.2 离心力作用下的膜片应力

离心力作用下的膜片Mises应力，最大Mises应力，发生在中间螺栓孔内边缘，离心力作用下的膜片最大主应力也发生在中间螺栓孔内边缘，其值。

3.2.3 轴向变形引起的膜片弯曲应力

联轴器的安装误差及轴向位移引起膜片的弯曲变形，轴向变形所应起的膜片最大Mises应力，发生在中间螺栓孔的内边缘，如图1所示，最大主应力也发生在该处，其值。

4 结果分析

将上述分析结果总结成表1，可以看出，轴向位移引起的弯曲应力最大，离心惯性力产生的离心应力最小，其最大值即膜片危险点均出现在中间螺栓孔的边缘[4]，这与我们平时常见的膜片损坏结果是相一致的。

5 结论

本文对膜片受力情况进行了详细的分析，并使用有限元软件ANSYS对某公司新型联轴器膜片进行数值模拟分析。在不同工况下，轴向变形引起的弯曲应力远大于离心力和转矩引起的应力，而且这个应力出现在螺栓孔的边缘，并且是随着联轴器的旋转而不断的交替变化的交变应力，很容易引起膜片的疲劳破坏，所以，在联轴器的设计中，要重点考虑弯曲变形引起的疲劳破坏，而且还要采取能使应力分布更加均匀的措施，此外，在联轴器的安装时，要尽量减小轴向安装偏差。

参考文献

[1] 王艳国，周瑞平.船用膜片联轴器的膜片结构强度有限元分析[C].//第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集.2009：107-111.

[2] 周新光，王理.复合材料联轴器膜片的应力分析[J].化工机械，2010，37（3）：343-346，366.

[3] 华军，许庆余，张亚红等.膜片联轴器膜片应力计算及疲劳寿命分析[J].机械科学与技术，2000，19（2）：203-206.

[4] 周标，李琳.金属挠性膜片联轴器的动静复合应力分析[J].机械传动，2009，33（4）：93-96.