具有冗余功能的高速膜盤聯(lián)軸器總體方案

考慮到材料的輕質(zhì)、強(qiáng)度重量比是影響膜盤性能的關(guān)鍵因素，因此本文初步選擇密度較小、強(qiáng)重比高的Ti-1023作為膜盤聯(lián)軸器的主要材料。

聯(lián)軸器作為一個(gè)連接輸入、輸出軸的傳動(dòng)部件，其在傳扭時(shí)，如果輸入軸和輸出軸偏斜、不對(duì)中，或者轉(zhuǎn)軸受到瞬時(shí)沖擊時(shí)，若柔性較小，會(huì)給兩端的軸承支撐帶來附加載荷，從而使轉(zhuǎn)軸兩端的軸承很容易失效，使用壽命降低。而膜盤聯(lián)軸器在受到這些外載荷時(shí)，由于膜盤可以在高速狀態(tài)下有較大的形變，通過自身的形變來抵消外載荷所帶來的扭矩，從而給兩端的軸承支撐帶來的附加載荷很小，沖擊也會(huì)小很多，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命。。

因此，膜盤是整個(gè)聯(lián)軸器中關(guān)鍵的部件，其設(shè)計(jì)的好壞是有兩個(gè)因素決定的：一個(gè)是其要能夠承受足夠大的載荷，另一個(gè)是膜盤的柔性要很好[。對(duì)于提升承載能力而言，可以將膜盤的余量設(shè)計(jì)的較大，體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上就是增加膜盤的厚度。然而，這樣做一方面無疑會(huì)增加膜盤的剛性，由此給轉(zhuǎn)軸兩端軸承帶來較大的附加載荷，另一方面，會(huì)增加膜盤聯(lián)軸器總體的重量，從而影響膜盤聯(lián)軸器整體的動(dòng)態(tài)特性。因此，膜盤在設(shè)計(jì)時(shí)，在承載能力的制約條件下，需得出其柔性和重量的匹配，故應(yīng)該綜合考慮承載和柔性這兩個(gè)矛盾因素，選擇的折中方案。

冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

除了對(duì)關(guān)鍵件膜盤進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，另一個(gè)需要考慮是就是聯(lián)軸器的穩(wěn)定性 膜盤聯(lián)軸器的應(yīng)用場(chǎng)合，由于其一般用于航空設(shè)備及高精機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中，故需考慮如何在高速下設(shè)備及人員問題。如果聯(lián)軸器在工作中，膜盤突然破裂，由于高速狀態(tài)下離心力非常大，其飛濺的碎片會(huì)直接損壞周圍的設(shè)備，造成很大的損失，在航空設(shè)備中，如果起聯(lián)接作用的聯(lián)軸器失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的失效，對(duì)人員會(huì)造成很大的威脅。因此，在設(shè)計(jì)膜盤聯(lián)軸器時(shí)，即使在工作中膜盤破損，也應(yīng)該對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，并為整個(gè)聯(lián)軸器留出運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。具有失效模式復(fù)雜、應(yīng)力難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)、早期排除失效困難等特點(diǎn)，故對(duì)其進(jìn)行預(yù)防有很大困難。冗余技術(shù)通俗的來講就是增加多余的設(shè)備。冗余設(shè)計(jì)是容錯(cuò)設(shè)計(jì)的一種，關(guān)于容錯(cuò)設(shè)計(jì)與冗余設(shè)計(jì)，有許多不同的說法。容錯(cuò)被定義為：系統(tǒng)或程序在出現(xiàn)特定的故障情況下，能繼續(xù)正確運(yùn)行的能力；冗余是指用多于一種的途徑來完成一個(gè)規(guī)定功能。因此容錯(cuò)反映了產(chǎn)品或系統(tǒng)在發(fā)生故障情況下的工作能力，而冗余是指產(chǎn)品通過多種途徑完成規(guī)定功能的方法和手段。從原理上講，冗余作為容錯(cuò)設(shè)計(jì)的重要手段，其實(shí)施流程和原則也同樣適用于其他容錯(cuò)設(shè)計(jì)活動(dòng)。本文在設(shè)計(jì)時(shí)為膜盤聯(lián)軸器增加了冗余結(jié)構(gòu)，其作用主要有兩個(gè)方面，一是防止膜盤破損時(shí)的飛濺造成對(duì)周圍設(shè)備的損壞，二是當(dāng)膜盤破損后暫時(shí)代替膜盤進(jìn)行扭矩傳遞，為停止設(shè)備留出運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，。冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有相關(guān)的原則，首先，由于這里的冗余采用的是非工作冗余，即在膜盤正常工作時(shí)，冗余結(jié)構(gòu)是不工作的，為了其在膜盤正常工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干涉，花鍵的間隙合理設(shè)置；其次，當(dāng)膜盤失效后，冗余結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度能夠短時(shí)間內(nèi)接替膜盤傳遞扭矩，為設(shè)備停止留出運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；此外，由于膜盤聯(lián)軸器常用在航空等，增加冗余結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)增加聯(lián)軸器的重量，因此為了不過多的影響聯(lián)軸器整體的動(dòng)態(tài)性能，增設(shè)的冗余結(jié)構(gòu)的重量要盡可能的輕。

2膜盤與相鄰件之間的連接

膜盤不僅在功能上是聯(lián)軸器的核心原件，從整體結(jié)構(gòu)上看，因?yàn)槠渌械牟考寂c膜盤有直接的連接關(guān)系，其中包括膜盤與中間軸之間的連接、膜盤與護(hù)板之間的連接、膜盤與法蘭之間的連接等。在膜盤與中間軸連接時(shí)，傳統(tǒng)膜盤聯(lián)軸器一般采用螺栓、鍵或過盈配合來連接，本文在設(shè)計(jì)膜盤時(shí)為了加工方便同時(shí)減小可能出現(xiàn)的附加應(yīng)力，采用真空電子束焊接的方式將兩者焊在一起，這樣也可以為膜盤聯(lián)軸器的整體結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量。電子束焊(EBW)具有冗余功能的高速膜盤聯(lián)軸器總體方案一般是指在真空環(huán)境下，利用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件接縫，將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被焊金屬熔合的一種焊接方法[]。其原理是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽極間的高壓(2～300kV)加速電場(chǎng)作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3～0.倍光速)，經(jīng)磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當(dāng)其撞擊在工件接縫處時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使材料熔化而達(dá)到焊接的目的。其之所以能一次焊透數(shù)百毫米，是因?yàn)楹附舆^程中一部分材料蒸發(fā)，其氣流反作用力將熔融的底面金屬液體向四周排開，露出新的底面，電子束繼續(xù)作用，過程連續(xù)不斷進(jìn)行，形成一條深而窄的焊縫。當(dāng)用電子束焊時(shí)，一般是軸向焊，其配合應(yīng)符合GB101-中H/P，或用徑向焊，焊后應(yīng)即時(shí)除應(yīng)力，并進(jìn)行超聲（或X光）和著色檢查。本文采用軸向焊接方法對(duì)膜盤和中間軸進(jìn)行電子束焊接，焊后仍端面跳動(dòng)要求，以防焊接偏斜和變形。

本章主要對(duì)具有冗余功能的膜盤聯(lián)軸器總體方案進(jìn)行了闡述。首先，對(duì)比傳統(tǒng)膜盤聯(lián)軸器的工作原理，分析了具有冗余功能的膜盤聯(lián)軸器的工作原理；其次，根據(jù)膜盤聯(lián)軸器工作狀態(tài)下的設(shè)計(jì)要求，對(duì)其總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了輕質(zhì)且性能優(yōu)良的膜盤聯(lián)軸器，初步選用了密度較小、強(qiáng)度重量比高的Ti-10V-2Fe-3Al材料；隨后提出了對(duì)關(guān)鍵件膜盤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則，指出膜盤在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮承載和柔性這兩個(gè)矛盾因素，在承載能力的制約條件下，得出其柔性和重量的方案；為膜盤聯(lián)軸器增加了冗余結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則進(jìn)行闡述，提出其設(shè)計(jì)時(shí)既不能對(duì)膜盤產(chǎn)生干涉，又可以在膜盤斷裂后進(jìn)行傳扭，同時(shí)要其質(zhì)量要足夠輕；然后對(duì)膜盤與相鄰件之間的連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)，膜盤與中間軸之間采用電子束焊接方式進(jìn)行軸向焊接，而膜盤、護(hù)板和法蘭之間通過螺栓連接在一起，得出具有冗余功能的膜盤聯(lián)軸器的整體結(jié)構(gòu)。