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高弹性联轴器在柴油机上的使用

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2009-10-06

1.引言

      德国先达传动吉尔希有限公司是世界上生产联轴器的著名公司,所生产的G系列高弹性联轴器结构(图1)主要有外壳1,带齿的橡胶圈2和带键槽的锁紧轴套3组成,三个零件是可拆装的,安装使用非常方便,内部的橡胶圈2作为弹性元件可以补偿两轴之间的位移误差,还可以通过选用不同硬度和尺寸的橡胶圈来获得所需要的刚度和阻尼,来达到既能缓冲减震又能有效传递载荷的目的,外壳、橡胶圈、锁紧轴套三个零件件为可拆分形式,结构简单紧凑,安装方便。

G系列联轴器具有如下特点:

*橡胶圈采用天然橡胶,弹性高,具有非常好的减振吸振的能力。

*产品结构简单,拆装方便,故障率低。

*高弹性的橡胶圈与外壳结合紧密达到无间隙配合。

*外壳采用高强度铝合金,并经严格的平衡试验,转动惯量非常小。


*轴套的锁紧装置,采用铰制孔螺栓和铰制孔联接结构,安装孔是配作的,被驱动轴装配后配合间隙很小,改善键联接部位的受力状况得到明显的改善,传动系统的可靠性和安全性得到了提高。

某公司的柴油发电机组,采用G系列联轴器将柴油机的飞轮壳直接与发电机定子外壳法兰联接在一起,来达到来补偿综合位移和调整轴系的自振频率、缓冲扭转振动。G系列的高弹性联轴器外形尺寸小,结构紧凑,安装方便,非常适合这类安装场合。

2.选用计算

柴油机为四冲程,直列6缸柴油机主要参数如下:

额定功率:                                         209kW

额定转速:                                         1500rpm

怠速转速:                                         750rpm

环境温度:                                         18℃~50℃

转动惯量:曲轴、减振器及活塞连杆组             0.724kgm2

飞轮                                                     1.9 kgm2

发电机的转动惯量:                            2.96 kgm2

2.1初选

额定转矩

 计算转矩

Kt为温度系数,取1.1;经计算需要选用额定扭矩Tkn大于1463Nm的联轴器。另外由于柴油机先天性的缺陷——扭矩是脉动的,在某些情况下,柴油机输出转矩的瞬时峰值,甚至是其平均的5~6倍,或者更多[1]。因此最大扭矩还有如下要求: 在上式的计算中考虑到该柴油机为六缸直列柴油机,其发火间隔均为120°,一次、二次惯性力及惯性力偶,能实现完美的内部平衡。驱动负载为发电机,工作载荷也较为均匀,笔者选用较小的值进行估算,还考虑到高弹联轴器允许瞬态过载20%。根据Tk和Tmax的计算所得值,初步选定CM-G-1800-70-14型联轴器用于本机组,其主要参数如下:额定扭矩:Tkn=2500 Nm 最大扭矩:Tkmax=6300 Nm 连续振动扭矩:Tkw=1000 Nm 容许功率损失:Pkv=250W 动态扭转刚度:Ctdy=17500 Nm/rad(计算中用13300 Nm/rad)相对阻尼:ψ=1.15 主动端转动惯量:J1=0.1512 kgm2 驱动端转动惯量:J2=0.061 kgm2

图2 轴系双质量系统简化示意图对选用了具有动态扭转刚度Cd和相对阻尼的CM-G-1800-70-14型联轴器联接的柴油机发电机组简化成双质量系统,如图2所示。转动惯量等效计算:                   

2.2轴系单结共振频率计算及减振效果评价轴系单结共振频率: 轴系单结主简谐共振转速: 由于柴油机为6缸四冲程柴油机,主简谐次数为:   主谐次的共振转速:   由于柴油机先天性的缺陷——扭矩是脉动的,危险的扭振共振必须避免,根据弹性联轴器的隔振原理,在选用联轴器时,必须使轴系振动系统的固有频率满足: 上式计算表明CM-G-1800-70-14型联轴器,能保证机组在正常工作转速范围内不出现共振转速,并可以降低变动扭矩振幅。

2.3扭振计算高弹联轴器靠弹性元件的弹性变形来补偿两轴轴线的相对位移改善轴和支承的工作条件,降低联轴器所经受的瞬时过载,并有改变轴系刚度消减扭振等特性。对于柴油机这种有固定周期性脉冲扭矩的应用场合,在初步选型后,应通过扭振计算校核最大扭矩Tmax。柴油机气缸内气体压力变化而产生的激振力矩是引起轴系扭振的主要因素,它随不同机型和不同的运转工况而变化,同时柴油机各气缸由于调节的喷油规律不可能绝对相同,即使在同一工况下也会有较大的差别,造成作用于轴系上激振力矩难以精确的确定,再加上柴油机本身参数如轴系的阻尼等也很难取得,尤其计算中涉及的因素广泛,以致于难以由笔者进行较精确的计算。为此,通常采用从实践中得到的经验公式,这种计算一般都是由联轴器生产供应商来完成,他们应用一些相类似柴油机的有关数据或修正的相关系数和公式进行激振力矩的计算,并基于他们积累的大量经验,可以得到较高的精确度。通过共振点时最大扭矩的校核计算结果如表1所示。

表1 主谐次最大扭矩校核结果

谐次

转速(rpm)

Tmax

(Nm)

Tkmax

(Nm)

负荷率

3

305

2720

6300

43.17%

6

153

583

6300

9.25%

9

102

167

6300

2.64%

  对主谐次引起的共振工况计算表明,主谐次的临界转速低于发动机的最低转速,避免了产生危险的主谐振,最大激振力矩也未超出联轴器的承受能力。然而轴系的副谐次临界转速(1831rpm,916 rpm,610 rpm)仍在发动机的转速波及范围内,各缸激振的差异有可能超出联轴器的承受能力,为此还通常计算一缸不发火的情况,以确保安全。另外由于弹性元件的阻尼效果,会生成大量的热量,在橡胶减振元件中如果不能正常散逸,温度过高,就会影响联轴器的寿命,因此还需要校核发热功率。

表2发热功校核结果

转速

(rpm)

工况

Tw

(Nm)

Tkw

(Nm)

Pv

(W)

Pkv*

(W)

750

正常

84.2

1000

8.39

155

800

正常

226.3

1000

64.54

155

900

正常

172.7

1000

42.27

155

1000

正常

136.5

1000

29.36

155

1200

正常

91.9

1000

15.98

155

1400

正常

66.3

1000

9.71

155

1500

正常

57.4

1000

7.79

155

1500

一缸

不发火

541.87

1000

139.44

155

*温度系数为0.62。通过上述扭振计算表明,选用的CM-G-1800-70-14联轴器能保证机组的正常运用。

3.弹性联轴器的安装由于G弹性联轴器主动和从动部件可以分开单独组装,而且两部分的联接方式为内外插入式结构,两者之间不设紧固件。锁紧套采用独特的剖分式半螺纹孔结构,整体结构紧凑,与常见联轴器的装配过程也有所不同。

3.1清理所有结合面的飞边、毛刺和污物。

 3.2将中间橡胶毂与锁紧轴套上的半孔分别对齐,各孔位置为非对称布置,只有一个位置能保证所有的半孔都相吻合。如图3-a所示。

3.3将安装螺钉装入毂上的装配用孔中,虽然每个孔中只有橡胶毂的半孔有螺纹,另外半孔为与该螺纹对应的光孔,当螺钉旋入时,通过锥度配合面,将两者拉紧组成一体。暂不要将螺钉拧紧,如图3-b所示。

3.4把上面装好橡胶毂的锁紧轴套装入发电机的轴头上,并放入联接键,调节锁紧轴套在轴上的位置,保证Cx尺寸符合设计要求。如图3-c所示,

 3.5将三个安装螺钉紧固好,扭紧力矩115Nm。

图3  锁紧套组装示意图 3.6将该联轴器的法兰盘装在柴油机的飞轮上。

 3.7最后吊起发电机缓缓靠近柴油机,将橡胶毂插入法兰盘中,并将发电机外壳联接盘装入柴油机的飞轮壳中,按要求紧固飞轮壳的螺栓,从而完成柴油机发电机的组装。

4.结论

     G系列联轴器是一种扭转剪切性高弹联轴器,结构合理、尺寸小、维护方便、转动惯量小、减振效果好,非常适用于柴油发电机组。通过对选定G型联轴器与机组的扭振计算表明,该型联轴器满足柴油发电机组在正常使用状态下的运用要求。  

参考文献:

1.      李和言等,弹性联轴器对柴油机输出转矩不均匀性衰减研究,《机械设计》2002.9。

2.      刘静宇,高弹联轴器在柴油机动力传动系统中的运用,《水利电力机械》2002.8。

3.      王祺,柴油机轴系扭转振动,国防工业出版社,1988。

4.      Torsional vibration calculation No.14087, CENDA ANTRIEBE Kirschey GmbH,2005.8

 
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