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挠性联轴器如何克服振动这个难题

发布日期:2021-04-11  文章来源:华硕传动机械   点击:
挠性联轴器如何克服振动这个难题
与任何其它消耗能量的机械设备一样,泵需要能量源来驱动它们。它们需要机械能来执行将液体从一个位置转移到另一个位置的任务,能量由内燃机或电动机来提供。能量源通过一个能量传输系统驱动泵,此系统通常由一系列齿轮箱、驱动轴和联轴器组成。这一切也许看起来相当简单,但泵要安全有效率地运转,系统中有几个固有的可怕力量需要抑制。第一个以相当隐秘的形式出现,称为扭转振动,除非有效地处理,扭转振动可能摧毁一个能量传输系统和它正在驱动的泵,它可能会完全损坏坚固的钢驱动轴,导致泵扭曲自身从底座上松开,甚至可能对附近的人产生伤害威胁。那么什么是扭转振动?我们怎么处理它?

扭转振动是能量传输工程最可怕的噩梦。工业领域中,它会引起飞机坠毁、汽车抛锚和驱动系统常见的失效。它由扭矩中几乎不可预知的脉冲引起,这对内燃机来说是固有的。每次点燃被压缩的燃料和空气混合物时,它迅速膨胀,驱动活塞在它的做功冲程内落到汽缸上。每个做功冲程在扭矩内产生一个脉冲或峰值,那将导致驱动轴难以察觉的扭曲。

人们可能会认为,像钢驱动轴一样坚固的东西不会明显扭曲,但施加力时,任何一片金属都会弯曲,当大量能量产生时,含有的能量可能是巨大的。另外,扭转振动的影响会被系统中另一种可怕的东西扩大,即一个相关的现象称作扭转共振。

假如我们考虑柴油机驱动的泵送系统,每一个柴油发动机都存在固有的共振,有点像振铃的声音或振动吉他的声音。如果这一扭转共振与泵的固有频率一致,那么后果是灾难性的或者说,至少,也会大大缩短系统的使用寿命,迫使采取更高程度的保养。

扭转振动对简陋的设备来说是不可观察的,因为驱动轴的扭曲振动与稳定的平均旋转速率是重叠的。曾担任MIT(麻省理工学院)机械工程系领导的Edward Miller教授进行了一项观察,发现了扭转振动的剪切破坏力。在柴油机驱动泵的原始试验中,他提到,连接发动机与泵的转轴在完全失效之前,开始发“樱桃红”色的光。破坏性能量的现象数量仅仅是扭转振动的后果,那时,直到失效发生,扭转振动才可以真实可见。

工程学知识已大大向前发展,自从那时,扭转振动不再像以前那样神秘。制造商可以提供每台发动机扭转共振的详细资料,设计工程师可以确保系统中扭转振动水平处于允许范围之内。新型解决方案是在柴油发动机和泵轴之间安装一个挠性或扭转柔性的联轴器,将发动机的谐波与其与系统隔离。通常用作此目的的挠性联轴器有两种类型,一种是压缩橡胶联轴器,另一种是内剪切橡胶联轴器。

压缩橡胶联轴器的分解图显示出其结构和安装在金属叶片间的橡胶块Croset的发明基本原理与那时候本质上是一致的,或许可能仅仅是更精细了一点。本质上来讲,两个圆的金属部件用外观像明轮汽船桨叶、从外边向内凸出而从里边向外凸出的东西连接在一起。橡胶片放在叶片之间的空隙内,当外部部件被发动机转动时,它通过此橡胶块驱动内部部件。如此一来,橡胶被压缩,因此产生了这个词“内压橡胶”。

压缩橡胶联轴器,通常用在泵送系统中解决和防止问题的发生。万向节联轴器,用于泵和柴油发动机有偏差的场合

当橡胶被压缩时,它表现得就像一种可压缩的流体,比可选择的橡胶内剪切技术或拉紧技术本更坚固。在这里,橡胶中最轻微的刮痕都可能导致灾难性的撕裂和彻底的连接失效。RHC的压缩橡胶联轴器本质上是具有失效保护性能的,因为即使最不可能的情况发生(像胶片汽化),坚固的金属叶片将参与提供驱动力。在可能的情况下,高振动载荷可能切断火撕裂橡胶片。这时,联轴器将继续运转,效率只有很少损耗。在许多应用中,例如消防,泵的失效无法选择,压缩橡胶联轴器由于它们的失效保护特性通常被指定应用于此。

压缩橡胶联轴器还是免保养的,不需要润滑或任何形式的调整,这就是说在泵的所有应用中,它具有最低的生命周期成本。这种联轴器中起作用的仅仅是橡胶片,大多数情况下,橡胶片有超过10年的使用寿命。压缩橡胶联轴器还非常耐用,特别适用于条件更恶劣的应用领域,比如大的颗粒砂石或沙粒的泵松。恶劣应用环境下会产生更强的振动,联轴器中的橡胶片可减弱振动载荷,减小动力传动系统的振动扭矩。
柴油驱动系统的另一种可替换方案是变频发动机(VFD),它在泵送应用中变得越来越普遍。VFD可更经济地利用电动机,但由于它的特殊性质,会产生脉冲输出,这就需要挠性联轴器来控制扭转振动。联轴器中的橡胶会减弱脉冲,改变发动机系统的固有频率,使它低于泵的运转速度。

安装在柴油发动机和离心泵之间的压缩橡胶联轴器

挠性联轴器还用来承受不同程度的偏差。对于离合器壳中的应用,联轴器必须承受由于制造公差导致的少量偏差。然而,对于不需支撑的应用,偏差程度取决于泵到发动机的校准精确度。相当常见的是,泵和发动机牢固的安装在一个防震底座上,有点像汽车的悬架系统,不同的偏差取决于底座上的移动量。这些程度的偏差可以通过使用两个挠性联轴器和它们之间的一根轴来调节。如此一来,当泵和发动机发生相对移动时,轴可以进行铰接。

每一个泵送系统都是不同的,但对它们来说共通的是安全运行、可靠性和最低可能保养成本的需求。压缩橡胶联轴器满足所有的挑战,出现在全世界的泵送应用中。既然每一个系统都是独特的,RHC的工程师在提出正确的连接解决方案之前使用他们自己的软件分析系统的动力学性能。
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