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摘要：为了解决传统膜片组易损坏问题,先基于TRIZ理论设计出有补片的膜片联轴器,再利用CosmosWorks软件对传统联轴器的膜片组和有补片膜片联轴器的膜片组进行了分析。研究结果表明:膜片中高应力区域出现在膜片上铰接点附近,低安全系数区域也出现在铰接点附近,这说明该区域易发生破坏;在同样工况下,膜片组增添补片后,能缩小膜片组中高应力区域和低安全系数区域范围,从而提高膜片组的抗疲劳能力。
关键词：TRIZ;膜片;补片;联轴器;设计与分析
膜片联轴器的易损部件为膜片组件。膜片组件的使用寿命决定了联轴器的使用寿命和工作效率。国内生产的膜片联轴器无论在外观质量还是在使用寿命等各方面都与国外产品有一定的差距。为此,研究人员对膜片联轴器进行了研究[1-5],但其中一部分成果仅为理论研究成果,未对膜片组件的结构提出更佳解决方案,另一些成果仅对某种特殊结构膜片(如圆形膜片)进行探讨,或者是仅对单片膜片进行分析,由此得出的结论普适性不强。从实际损坏的膜片组及理论分析[1飊5]可知,膜片组件的损坏主要出现在膜片组铰接点附近。这是因为,当动力机械与工作机械之间存在角度位移、轴向位移时,连接动力机械与工作机械的膜片联轴器中的膜片组会产生附加应力。当膜片联轴器处于高速运转或反复正反转状态时,膜片组承受着交变应力的作用,易发生疲劳破坏。为了具体分析膜片组损坏原因,延长膜片联轴器的使用寿命,以束腰形膜片为例,先基于TRIZ理论确定膜片组的结构,再利用CosmosWorks对膜片组进行强度分析,并对传统膜片组和有补片膜片组进行分析比对。
1 基于TRIZ理论的膜片组结构设计
TRIZ问题模型中的技术矛盾指当技术系统的某一个特性或参数得到改善的同时,导致另一个特性或参数发生恶化而产生的矛盾。TRIZ理论将导致技术矛盾的因素总结成39个通用工程参数,建立了矛盾矩阵表,提供了40个解决技术矛盾的创新原理。表1为矛盾矩阵表(部分),它将39个工程参数与40条创新原理建立了对应关系,很好地解决了设计过程中选择创新原理的难题。矩阵中,行描述的工程参数为冲突中恶化的一方,列则表示改善的一方,行列交叉处的数字为解决该矛盾所推荐的原理序号[6-9],本文只涉及灰色框中的原理。 表1 矛盾矩阵表(部分)
（图片）根据膜片联轴器的结构及膜片实际损坏情况,确定改进参数为强度,恶化参数为应力或压力。表1中对应的创新原理分别为预先作用原理10、局部质量原理3、机械振动原理18、复合材料原理40,采用这些创新原理都有可能解决本文问题。由于膜片组件的损坏主要出现在膜片组铰接点附近,故选用局部质量原理来设计与分析膜片组的构成。
局部质量原理具有以下含义:1 将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的;2 让物体的不同部分各具不同的功能;3让物体的各部分处于执行各自功能的最佳状态。参考文献[1-5,10]所给出的研究结果和局部质量原理具有的含义,确定采用“将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的”方式,设计出了如图1所示的膜片组结构。（图片）
图1 有补片的膜片组结构 2 强度分析
膜片是膜片联轴器的主要部件。根据工况条件,膜片常选用1Cr13、1Cr18Ni9Ti、20CrMo等材质。数片膜片叠加组装在一起,传递扭矩时允许传动轴有一定的轴向位移、角度位移,能补偿动力机械和工作机械的安装误差,提高机组工作的
可靠性。
用6片厚度为1mm 的膜片和数片大小不等的补片组成膜片组。膜片及补片材料为20CrMo,材料密度ρ=7900kg/m3,弹性模量E=198GPa,泊松比μ=0.29,屈服强度σs=685MPa。膜片组的轴向位移为1mm,膜片组承受的载荷为400N·m。用SolidWorks软件构建膜片组几何模型,用集成于SolidWorks软件中的CosmosWorks分析膜片组的von Mises 应力及疲劳强度。
最大vonMises应力准则基于von Mises-Hencky理论。该理论认为,当vonMises应力等于应力极限时,延性材料开始在某位置屈服。图2所示为在同样工况条件下,基于最大vonMises应力准则进行的应力分析结果。表2列出了无补片和有补片结构的膜片组应力。（图片）
图2 不同结构膜片组件的应力比较 表2 有无补片时的应力值
（图片）从表2中有无补片情况下的应力比较结果可以看出:1 在同样工况条件下,无补片和有补片结构的膜片组应力最大值有很大区别;2 补片数量对应力大小有影响,补片能够起到减小局部(膜片组铰接点附近)应力的作用。
图3显示了膜片组中最大应力点。从结果可以看出,最大应力出现在最外层膜片上铰接点附近。这说明增加补片,不影响最大应力点出现的位置。（图片）
图3 不同结构膜片组件的最大应力点 图4显示了膜片中vonMises应力大于等于200MPa的应力区域,图5显示了膜片中vonMises应力大于等于250MPa的应力区域。从图4、图5可以看出:1 膜片中高应力区域出现在膜片上铰接点附近,该区域易发生破坏,图6所示为现场收集到的部分损坏膜片组件,可见实际膜片组件的损坏部位也在铰接点附近;2 增添补片,能减小膜片中高应力区域;3补片数量对高应力区域大小有影响。（图片） （图片）
图6 膜片联轴器中膜片组件的损坏实例 膜片联轴器作为动力机械和工作机械之间的连接设备,工作条件复杂多变。当动力机械、工作机械存在制造和安装误差,或者动力机械、工作机械工作过程中存在较大振动时,动力机械轴线和工作机械轴线之间会产生相对偏移,这会在联轴器上引起附加载荷,从而使膜片组产生轴向位移或角度位移。随着动力机械和工作机械反复启动、正反转,膜片联轴器承受着交变应力作用,膜片损坏形式为疲劳破坏。这里以前面的vonMises应力分析为基础,分析膜片的疲劳状态,循环次数设定为107。图7~图9所示为有无补片膜片组的疲劳强度分析情况。（图片）
图7 不同结构膜片组件的损坏因子 Miner线性累积损伤理论假设许多应力周期造成的总体损坏等于各个应力周期造成损坏的总和。假设构件在应力水平Si 作用下,经受ni 次循环,则总的损坏因子D 为（图片） 式中,k 为交变载荷的应力水平级数;Ni 为在Si 下造成失效所需的周期数。
损坏因子代表耗用的结构寿命比率。当损坏因子达到1.0时构件就会发生疲劳失效。
图7所示为不同结构膜片组件的损坏因子。从图7看出,无补片、2片补片的膜片组的局部区域损坏因子均大于1,故该区域存在疲劳破坏的可能,而3片补片膜片组的损坏因子小于1。（图片）
图8 不同结构膜片组件的疲劳寿命 图8所示为不同结构膜片组件的生命周期。从图8可以看出:1 无补片和有补片膜片组的生命周期有差别,增加补片能够延长生命周期;2 补片数量对生命周期长短有影响。
图9显示了膜片中安全系数小于等于2.5的区域。从图9可以看出:1 膜片易在铰接点附近或膜片内孔边缘处发生疲劳破坏;2 增添补片,能减小膜片中的低安全系数区域;3 补片数量对安全系数的大小有影响。（图片）
图9 不同结构膜片组件的安全区域
(安全系数小于等于2.5的区域) 从分析结果可以看出,同样工况条件下,有补片的膜片组结构的抗疲劳性能明显优于无补片的膜片组结构的抗疲劳性能,说明增加补片能够起到抵抗疲劳破坏的作用。
3 结论
(1)高应力区域集中在膜片上的铰接孔边缘附近,同时该区域也是安全系数较小的区域,因此,该区域易发生破坏。(2)在工况和膜片数量相同的情况下,增添补片能有效地减小膜片组中的应力,提高膜片组的抗疲劳性能。(3)补片数量对膜片组中的应力大小和抗疲劳性能有影响。
6/10/2011
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