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第1 章 緒論
1.1課題來源
彈性聯軸器是應用廣泛的機械零部件，在工業生產，石油，化工，冶金等工業部門都有應用，彈性聯軸器的使用狀況直接關系到機械設備的安全及壽命問題，尤其是一些重要場合，彈性聯軸器的失效問題往往引起人們的極大關注，例如某公司的GK2型內燃機車采用MTU16V396TC14型柴油機做內燃機。MTU柴油機與風扇藕合器采用萬向軸來傳遞動力。為了緩和沖擊力．柴油機輸出軸與萬向軸聯接采用彈性聯軸器。0002＃機車使用7年后，彈性聯軸器被剪斷，更換同種型號的彈性聯軸器后，使用未到一年又被剪斷，而同一型號的0001# ,0003＃機車使用時間以達9年，但彈性聯軸器依然完好如初。根據目前的機車運行工作情況來看，機車柴油機輸出軸與萬向軸之間的彈性聯軸器的失效問題已成為急待解決的技術問題之一。類似的情況在其他工程領域也都不同程度的存在，因此研究彈性聯軸器的工作狀態是一項很有實際意義的課題。
1.2 研究課題的意義與作用
彈性聯軸器的工作狀態涉及多個方面，其中重要的一個方面是彈性聯軸器在工作過程中的扭振現象，事實上，彈性聯軸器的過早失效除了其本身質量問題外，更與柴油機的振動和萬向軸未動平衡有關。由于萬向軸存在著主動軸與從動軸轉動不完全同步的問題，從動軸不能以等角速度轉動，從而產生附加動載荷，引起扭轉振動。它與柴油機產生的振動一起作用在彈性聯軸器上，導致彈性聯軸器的偏心度增大，使用壽命降低。
因此，本課題針對彈性聯軸器在工作過程中的扭振現象，研究萬向軸與聯軸器的工作狀態禍合關系，減少扭轉振動，對于延長彈性聯軸器使用壽命有著重要的意義。對于避免機車其他重要部件正常失效，提高機車運行時間與運行安全度，降低維修成本也有著重要的意義。
1.3 國內外扭振研究現狀
由于六十年代末，七十年代初的幾起汽輪發電機組的部件損壞和軸系斷裂事故，嚴重影響生產造成了極大的損失，國外的一些廠家和組織開始了對汽輪發電機組的扭振機理，計算方法以及測試方法的研究和探討。
目前國外的扭振課題主要從事以下研究：
(l）軸系扭振固有頻率計算和現場實測。
(2）軸系的阻尼分析和不同機組，不同載荷下的阻尼測量。
(3）不同類型的機組的扭振響應計算。
(4）軸系在各種電氣干擾下的疲勞壽命損耗分析，計算和在線檢測等。
國內對扭振問題的研究比較晚，大多是對大機組軸系進行運行狀態監測多側重于橫向振動的監測，一直到1985年大同斷軸事故后，才引起國內廣泛重視。80年代后期90年代初，國內許多研究單位和大中院校開始了這方面的研究，但力度和深度還不夠，主要是由于這樣幾個原因造成的：首先是相對軸系扭振來說，軸系橫向振動的發生更為常見，很多軸系故障，如轉子不平衡、彎曲、不對中等，都可以通過對軸系橫振信號的測取和分析進行監測,對軸系橫向振動信號的測取（包括技術和設備）及分析也已經非常成熟。其次是由于軸系結構的復雜化使得對軸系扭振固有頻率的計算較橫振復雜的多，涉及軸系建模理論、結構模化方法、機網之間的相互關系等多方面，理論計算結果的準確性需要從實踐中得到證實。然而，對扭振進行實時監控的最大障礙正是來自于扭振測試技術的落后。由于發生扭轉振動時，軸系振副很微弱（發生扭轉共振時例外），增加了扭振監測的難度。另外，目前對于扭振的很多是局限于剛性部分，對于粘彈性部分，比如橡膠元件則涉及的很少。
對軸系扭振特性的理論計算是檢驗動態分析的前提，也為改善軸系結構、預防扭振的發生提供理論基礎。在這個方面己經國外已經有了成熟的理論，IEEE工作小組發表的文章中詳述了一些經典的模型結構和數據，目前國外已經形成了很多有效的關于扭轉系統固有頻率的算法，對于工程應用具有很大的指導意義。
二十世紀初提出的Holzer法就是使用迭代法對多質量系統的固有頻率進行計算的方法。Wilson 和Nestorides 描述了對包括轉軸，調速器和聯軸器等部件進行模化的方法以確定等效轉動慣量和剛度。同時描述了將非分支系統的多轉軸模化為單轉軸系統進行計算的方法以及在Holzer中如何處理非分支系統。
Holzer法的一個延伸就是利用傳遞矩陣法計算軸系的固有頻率。Pestel和Leckie對于在非阻尼和阻尼軸系系統中如何確定軸系的固有頻率和模態振型進行了全面的闡述。在確定扭振系統或該系統對一特定邊界條件響應的特征值的過程中必須對系統進行模化。
Pilkey和Leckie開發的用于分析帶分支系統扭振系統的傳遞矩陣法包括將分支系統簡化為一個等效單轉子系統。這種方法要求將分支系統的參數累加在分支系統所屬的軸段上。因為這種方法要求從主傳遞矩陣上消去分支系統的狀態關系，這會導致用根搜索法求解時丟到合理的根。如下圖1-2所示的一個頻率范圍內的分支系統的特征曲線，因為無限大而略去的特點會導致丟根。
Abhary提倡在模化集中參數扭振系統使用部分作圖的方法。該技術的圖示部分是幫助對一個有多個分支系統的扭振系統進行等效計算時一個簡單的工具。一旦建立起等效模型，就建立對系統寫出矩陣形式的方程，然后利用商業程序進行特征值分析，然后對于復雜系統，必須的等效計算時很耗時和乏味的。所以這種技術在扭振分析中使用并不好。
Mitchell對由Hibner用于轉子橫同振動分析中用到的方法進行了改造后開發了一種用于齒輪嚙合扭振系統的多轉子系統傳遞矩陣方法。對于模化多轉子系統，這種多轉子傳遞矩陣是簡單而有效的，這種方法的優點包括：
(l）略去其他方法所必需的許多等效計算。
(2）為嚙合齒輪的雙方的相對狀況建立了一個簡單的傳遞矩陣。
(3）允許在模型中表征齒的撓性。
(4)在全局傳遞矩陣中考慮了所有狀態信息。
(5）對分支系統的模化變得較為簡單。
與這種方法相關的模化方法更容易用計算機去實現。
Blarding 開發了一種用Hibner/Mitchell多轉子傳遞矩陣分析多轉子系統，三維，共振響應的傳遞矩陣計算機程序。這個程序不僅包括扭轉振動的響應，還包括了軸向和徑向的響應。這種模型包含了多不同目由度的藕合因子。這個程序可以處理包括嚙合齒剛度隨時間的變化。此外，還可以考慮齒輪嚙合的差錯對扭轉系統響應的影響。這些功能可以使程序更加精確地模化系統。然而，增加的功能會使程序變得更加復雜，計算機計算需要的時間也越長。
Tsai和Kuang業開發了一個使用多轉子傳遞矩陣的計算程序，可以考慮齒輪嚙合轉子的彎扭耦合振動。
Doughty和Vafaee開發了一個用于確定簡單扭振系統帶阻尼的固有頻率和模態振型傳遞矩陣計算程序。然而此程序只局限于分析等效單轉子系統，而且所用的求根法為Newton-Raphson 代數法，有一定缺陷。用Newton-Raphson法要求輸入一個初始根，這個值會影響整個的求解過程，此外這種方法需要對所求得函數進行推導求解，對于傳遞矩陣問題，這些推導只能是某種程度的近似，會影響求解過程。
Huang和Horng也開發了一種用Newton-Raphson求解的傳遞矩陣程序，該程序是用于帶阻尼扭振系統的求解。程序采用的是Pestel和Leckie的兩轉子系統的分支技術，因為這種技術只是追蹤主系統的狀態值，所以用這個程序計算兩轉子系統的全部特征需要獨立的系統模型。
由于軸系的彎曲振動和扭轉振動是同時存在的，近年來國外對彎扭藕合振動的產生條件及原因進行了深入的探討，得出了很多具有劃時代意義的結果，這方面的許多成果是建立在對軸系模型的有限元分析基礎上。
1.4 研究內容
研究表明，聯軸器的過早損壞，往往是聯軸器或相連部件工作不正常所致大功率柴油機輸出轉矩的不均勻性對傳動裝置的工作可靠性和壽命有重大影響。對多缸柴油機來說，由于以下四方面原因的存在：(l）柴油機氣缸內爆發壓力所產生的激振力矩是脈沖式周期變化的；(2）柴油機曲柄連桿機構的質量及慣性所產生的激振力矩是周期變化的；(3)接受功率部件所吸收的轉矩不是定值，產生的激振力矩是隨機變化的；(4）各缸功率不均衡偏差的客觀存在及其分布的隨機性導致柴油機輸出轉矩產生隨機波動性等，致使柴油機輸出轉矩的不均勻性是無法避免的。其實際輸出值是由其輸出轉矩的平均值和一系列不同振幅、不同頻率和不同相位的簡諧力矩疊加而成。在某些工作狀態下，柴油機輸出轉矩的瞬時峰值甚至是其平均值的5-6 倍，或者更多。
最終導致聯軸器失效的主要原因大致可歸納為下列幾個方面：
(1）設計和選用上的原因。
(2）制造、安裝和調整方面的原因。
(3）維護方面的原因。
(4）環境方面的原因。
這些原因從各個不同的角度影響到彈性聯軸器在工作過程中的扭振現象。
本課題研究內容主要圍繞著彈性聯軸器在工作過程中的扭振的產生機理、影響效應、計算機模擬計算固有頻率和動態特性等幾方面展開。該聯軸器實體造型如圖1.3所示
上圖中1為鐵圈，通過圓面上的螺栓孔和電動機延伸出來的軸聯接，屬于被動端。2為橡膠元件，作為彈性聯軸器的主要工作元件，起減振和緩沖的作用：3為鐵圈，通過圓面上的螺栓孔和柴油機延伸出來的軸聯接，屬于驅動端。1和3中螺栓孔的位置的設計主要考慮到安裝過程的方便性。
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