14如SSS離合器動力學(xué)特性簡介陳利陳嬌紅馬駿安海陽(東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽,618000)摘要:文章詳細(xì)介紹了SS離合器的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理,介紹了傳統(tǒng)上對帶齒輪聯(lián)軸器的耦合軸系進(jìn)行動力學(xué)分析時采用的兩種方法—單軸分析法與整體分析法,同時分析了兩種傳統(tǒng)方法的不足,并從工程實(shí)用的角度出發(fā),將SSs離合器內(nèi)嚙合齒輪簡化等效為六個剛度和阻尼系數(shù),最后根據(jù)SSS離合器的工作原理提出將其應(yīng)用到熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組上具有極大的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:Ss離合器;齒輪聯(lián)軸器;動力學(xué)特性;熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組SSS Clutch Dynamic Characteristics IntroductionChen Li, Chen Jiaohong, Ma Jun, An haiyang(Dongfang Turbine Co, Ltd. Deyang Sichuan 618000)Abstract: This paper introduces the basic structure and working principle of the SSS clutch. It introduces two traditional methodssingle axis analysis and the overall analysis. The two methods are used to analyze dynamic characteristics on the shaft coupling witha gear coupling analysis. It also analyzes the deficiencies of two traditional methods. From the practical engineering point of view,e SSS clutch inner mesh gear is simplified and equivalent to six stiffness and damping coefficients. According to the workingprinciple of SSS clutch, it is great superiority to apply it to cogeneration steam turbine unitKey words: SSS clutch, gear coupling, dynamic characteristics, cogeneration steam turbine unit器使用,國際上知名的SSs離合器生產(chǎn)企業(yè)有英0引言國SSS離合器公司、瑞士MAAG、德國RENK等公司。同步自換檔( synchro-self- - shifting)離合器簡SSs離合器是一種依靠自身機(jī)構(gòu)的作用,無需稱SS離合器,是由英國人發(fā)明的,最早應(yīng)用于借助人工或其它輔助動力設(shè)備完全自動地實(shí)現(xiàn)嚙海軍軍艦上,以解決在正常航行和戰(zhàn)斗時需要切合或脫離嚙合,從而使動力輸入設(shè)備與輸出設(shè)備換航速的問題,現(xiàn)在則廣泛應(yīng)用于工業(yè)汽輪機(jī)、連接起來或分離開來的設(shè)備,由于它的結(jié)構(gòu)簡單,燃?xì)廨啓C(jī)等動力裝置中。在汽輪機(jī)行業(yè),自動同不帶輔助設(shè)備并且工作可靠,被廣泛地用于旋轉(zhuǎn)步離合器多用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置中作調(diào)相離合機(jī)械的連接中。V中國煤化工CNMHG作者簡介:陳利(1983-),男,湖北當(dāng)陽人,畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè),現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸承設(shè)計(jì)工作。史t點(diǎn)m15主螺旋滑動組件繼動螺旋滑動組件輸入組件1SsS離合器的工作原理輸出組件SSs離合器是純機(jī)械的裝置,其所實(shí)現(xiàn)的功能概括起來就是:當(dāng)輸入軸的轉(zhuǎn)速傾向超過輸出軸時,離合器嚙合,輸出軸被驅(qū)動;當(dāng)輸人軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)方向傾向相對于輸出軸減少時,產(chǎn)生反向力矩,離合器脫開。東方與三菱合作生產(chǎn)的某燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)機(jī)組中使用了SSS離合器(如圖1所示)根據(jù)需要它將蒸汽輪機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)繼動螺旋鍵槽輸入部件子相連接或斷開。當(dāng)離合器輸入側(cè)(汽輪機(jī)低壓主螺旋鍵槽級棘輪轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速傾向超過離合器輸出側(cè)(汽輪機(jī)高中級棘輪壓轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)速時,離合器將自動嚙合,以連接汽鎖緊套筒輸出離合器環(huán)主滑動部件驅(qū)動齒輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子;當(dāng)離合器輸入側(cè)轉(zhuǎn)閉鏡齒從動齒繼動滑動部件速相對于輸出側(cè)變慢時,離合器將自動分離,以圖2Sss離合器的子組件與主要零部件斷開汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子。SsS離合器的嚙合過程如圖3~圖5所示。在SSs離合器中螺旋滑動部件是核心零部件,其工作原理與旋在螺栓上的螺母相似,而輸入軸則與螺栓的作用大致相同。輸入軸上具有與螺栓螺紋相似的螺旋鍵槽,而螺旋滑動部件則具有與螺母螺紋相似的螺旋鍵槽,滑動部件一端具有外部離合器齒,另一端具有外部棘輪齒(見圖3)。當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時,在摩擦力的作用下螺旋滑動部件隨輸入軸一起旋轉(zhuǎn),直至棘輪齒觸及輸出離合器環(huán)上的棘爪,當(dāng)輸入軸的轉(zhuǎn)速大于輸出離合器環(huán)的轉(zhuǎn)速時,在棘輪與棘爪的嚙合作用力下,螺旋滑動部件與輸出離合器相對靜止,而與輸入軸相對旋轉(zhuǎn),同時將離合器驅(qū)動齒和從動齒對中。當(dāng)輸入軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時,滑動部件將相對于輸入軸軸向移圖1Sss離合器實(shí)物圖動,從而將離合器驅(qū)動齒和從動齒平穩(wěn)帶到嚙合如圖4所Ss離合器嚙合狀態(tài)下就是一齒輪聯(lián)軸器,作輸人軸爪輸出離合器環(huán)棘爪卸載為旋轉(zhuǎn)軸系的重要組成部分,不僅起到連接兩根棘輪離合器齒嚙合運(yùn)動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,傳遞扭矩的作用,而且還可以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子間的徑向位移、轉(zhuǎn)角位移和軸向位移,與其它類型聯(lián)軸器相比,具有體積小、傳遞扭矩大等特點(diǎn)。SS離合器由四個主要子組件組成:一個輸入中國煤化工組件,一個繼動螺旋滑動組件,一個主螺旋滑動螺旋滑動部件CNMHG嚙合行程組件,一個輸出組件,如圖2所示。圖3已分離的離合器(棘爪已卸載)DONGFANG TURBINE當(dāng)離合器輸入超過離合器輸出時棘爪與棘輪嚙合軸系的動力學(xué)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差,另一方面可能離合器輸出棘爪會丟失許多重要的軸系模態(tài)信息。如果按單軸分輪析法計(jì)算,則聯(lián)軸器兩側(cè)轉(zhuǎn)子各為一外伸端轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),此時完全忽略了聯(lián)軸器對兩側(cè)軸系的耦合作用,用單個轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速來代替整體軸系的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速,計(jì)算結(jié)果偏于保守。原因有以下三點(diǎn)離合器輸人且驅(qū)動齒與從動齒為了內(nèi)部a)兩個單轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)通過齒輪耦合后,嚙合而準(zhǔn)確對中其動力學(xué)特性將產(chǎn)生較大變化,例如一個轉(zhuǎn)子的圖5離合器嚙合及對中不平衡質(zhì)量將在兩根轉(zhuǎn)子上同時激起不平衡響應(yīng)。在離合器嚙合與脫開過程中,棘爪承受的唯b)齒輪耦合將使軸系產(chǎn)生新的臨界轉(zhuǎn)速,耦載荷就是沿螺旋鍵槽旋轉(zhuǎn)重量輕的滑動部件所合軸系的臨界轉(zhuǎn)速數(shù)量大于各個單轉(zhuǎn)子一軸承系需要的作用力。嚙合過程中當(dāng)滑動部件沿輸入軸統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速數(shù)量之和,所以耦合軸系的臨界轉(zhuǎn)速軸向移動時,離合器的驅(qū)動齒與從動齒相嚙合后比較密集,只有合理地選擇軸系參數(shù),才能使軸棘爪脫離與棘輪的接觸,由離合器齒推動滑動部系的臨界轉(zhuǎn)速避開工作轉(zhuǎn)速。件旋轉(zhuǎn)(如圖4所示),只有當(dāng)滑動部件在接觸到c)齒輪耦合將產(chǎn)生新的固有頻率,耦合軸系輸入軸上的終端制動器(離合器齒完全嚙合且棘方面保留了非耦合軸系的某些特征,另一方面爪已卸載)而完成其行程后,才會傳遞來自輸入也將派生出新的固有振動特性。軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(如圖5所示)。與螺母擰到螺栓頭(2)整體分析法:將由齒輪聯(lián)軸器連接后的底部時不會產(chǎn)生外部推力一樣,S離合器的滑動整個系統(tǒng)看成一個多跨的多圓盤軸系,將其中的部件到達(dá)終端制動器后離合器傳遞驅(qū)動轉(zhuǎn)矩時,齒輪聯(lián)軸器用一等效的軸段(即等效軸法)來代螺旋鍵槽也不會產(chǎn)生軸向推力載荷。替,而對其在整個軸系中的耦合作用給予忽略。當(dāng)輸入軸的轉(zhuǎn)速相對于輸出軸降低時,離合文獻(xiàn)[1]通過理論計(jì)算得到某軸系使用整體分析器齒上的作用力將反向,螺旋滑動部件將沿輸入法時其失穩(wěn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了高達(dá)12%以上的偏差,其軸反向旋轉(zhuǎn)恢復(fù)到離合器的分離位置。原因是因?yàn)檩S系的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速主要受軸承的阻尼和剛度的影響,等效軸法在處理齒輪聯(lián)軸器時將其2齒輪聯(lián)軸器的動力學(xué)特性介紹看成一個剛性的結(jié)點(diǎn),這樣處理使得軸承的負(fù)荷分配發(fā)生了變化,從而影響了軸承的動態(tài)特性,在通過S離合器連接的轉(zhuǎn)子軸系中,兩根進(jìn)而導(dǎo)致軸系失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的偏差轉(zhuǎn)子通過離合器中的內(nèi)嚙合齒輪緊密地連接在在上述兩種分析方法中,單軸分析法完全忽起,某一轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)動力學(xué)性能的改變,通略了齒輪聯(lián)軸器相互耦合的影響,而整體分析法過齒輪的耦合作用,必將影響另一轉(zhuǎn)子一軸承系則相當(dāng)于給軸系增加了一個約束,兩種方法都不統(tǒng)的動力學(xué)性能,因此這種軸系既保留了單個轉(zhuǎn)能準(zhǔn)確地描述齒輪聯(lián)軸器耦合狀態(tài)下的動力學(xué)特子一軸承系統(tǒng)的某些動力學(xué)特性,又具有齒輪傳性,因此合理地建立耦合齒輪聯(lián)軸器的動力學(xué)等動所引起的一些新特征。傳統(tǒng)上對軸承一轉(zhuǎn)子一效模型,是進(jìn)行軸承一轉(zhuǎn)子一齒輪聯(lián)軸器動力學(xué)齒輪聯(lián)軸器的耦合軸系進(jìn)行動力學(xué)分析和計(jì)算時模態(tài)分析的關(guān)鍵所在。般采取兩種方法。(1)單軸分析法:在齒輪聯(lián)軸器處將轉(zhuǎn)子軸3齒輪聯(lián)軸器的力學(xué)模型系斷開,對兩邊軸系分別進(jìn)行分析、計(jì)算。這種中國煤化工為了揭示CNMH方法在聯(lián)軸器斷開時與實(shí)際工況比較一致,但在勁力學(xué)行為聯(lián)軸器嚙合工況下使用單軸分析法一方面會使得就必須建立一個符合實(shí)際軸系的動力學(xué)模型,離數(shù)點(diǎn)出m能17合器兩端轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型簡化在現(xiàn)階段的工程其中,Fa,Fn,Mn,M和,Mm分別為在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中已非常成熟,只有離合器本身由于受各種下內(nèi)齒輪作用在外齒輪上的作用力和力偶;△F,因素的限制,動力學(xué)模型不可能與實(shí)際系統(tǒng)完全△Fn,△M,△Mn,△Mz分別為相應(yīng)的動態(tài)力和致。本節(jié)從工程實(shí)用的角度出發(fā),在以下假設(shè)動態(tài)力偶矩。在理想狀態(tài)下成立的情況下分析了離合器的力學(xué)模型。Fo=F=M=M=0(1)將離合器簡化為一內(nèi)嚙合齒輪聯(lián)軸器,MosT每個齒面接觸且不脫開,不計(jì)齒形及齒節(jié)等誤差。式中,T為聯(lián)軸器所傳遞的扭矩。(2)每個輪齒的載荷力相同。根據(jù)前面的假設(shè),將內(nèi)外齒輪間的動態(tài)力和(3)小擾動工況下半齒輪聯(lián)軸器的剛度系數(shù)動態(tài)力偶用半齒輪聯(lián)軸器的等效剛度和阻尼系數(shù)在穩(wěn)態(tài)下為線性。來表示,則可得:(4)阻尼用等效粘性系數(shù)來模化。△F=k△+e△內(nèi)嚙合齒輪上的受力是比較復(fù)雜的,對于外△Fn-k△?+△們齒輪而言,除了與聯(lián)軸器連接的軸段對其的作用△M=k△e+c△E力外,還有內(nèi)齒套對外齒輪的作用力。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)△M,=k△a+c8△a在運(yùn)動過程中,內(nèi)外齒輪之間要發(fā)生相對運(yùn)動△M,=k,△0+c,△由于齒面間存在變形和摩擦,因此在外齒輪的齒面上會產(chǎn)生與齒面垂直的正壓力N和與齒面相切式中,k,kn分別為齒輪聯(lián)軸器沿,T軸的的摩擦力F(如圖6所示)。如果將各齒面上的作橫向剛度系數(shù);k,k分別為齒輪聯(lián)軸器繞{,T用力分別向外齒輪的中心O簡化可以得到作用于軸的轉(zhuǎn)角剛度系數(shù);k為齒輪聯(lián)軸器繞Z軸的扭轉(zhuǎn)0點(diǎn)的一個力和一個力偶,并將該力和力偶分別剛度系數(shù);ca,c分別為齒輪聯(lián)軸器沿,T軸的分解到三個軸上,得到三個分力F、Fn、F,三個橫向阻尼系數(shù);ce,ce分別為齒輪聯(lián)軸器繞,n力偶矩M、Mn、M,如圖6所示。軸的轉(zhuǎn)角阻尼系數(shù);c為齒輪聯(lián)軸器繞Z軸的扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù);△,△η,△e,△a,△分別為齒輪聯(lián)軸器內(nèi)外齒輪中心處的相對橫向位移、轉(zhuǎn)角位移和扭轉(zhuǎn)角位移;△,△η,△B,△?,△0分別21火h人z為齒輪聯(lián)軸器內(nèi)外齒輪中心處的相對橫向速度、角速度和扭轉(zhuǎn)角速度。在上述的剛度和阻尼系數(shù)中,如果齒輪聯(lián)軸(a)作用在單個齒上的力(b)作用在整個外齒輪上的力器對中良好,沿《,T兩個方向的力學(xué)行為基本相圖6齒輪聯(lián)軸器外齒上的受力分析同,則齒輪聯(lián)軸器的剛度和阻尼可簡化為六個系數(shù),并用k1,k統(tǒng)一表示為橫向剛度系數(shù)和轉(zhuǎn)角對于直齒聯(lián)軸器,由于沿Z方向的軸向力F2剛度系數(shù);c1,c則分別表示為橫向阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)較小,故將其忽略,將上述的力和力偶矩分別在角阻尼系數(shù)穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行線性化,則可得:SSS離合器作為整個軸系的一部分,工作狀態(tài)F=Fo+△F下由一對齒數(shù)相等內(nèi)外齒相嚙合的齒輪以及相應(yīng)nfn+△Fn的軸段組成,在軸系動力學(xué)計(jì)算過程中,將整個軸系劃分成n個軸段和n個結(jié)點(diǎn),在第j個結(jié)點(diǎn)處M=Ma+△M存在一個齒輪V凵中國煤化工示。聯(lián)軸器M=Mm+△M嚙合狀態(tài)下將CNMH當(dāng)量圓盤M2=Ma+△Mz將內(nèi)外齒輪的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量分別等效到相應(yīng)的18豪方花輪機(jī)DONGFANG TURBINE結(jié)點(diǎn)上,齒輪嚙合處的力學(xué)模型由六個剛度和阻減少,進(jìn)一步加劇了低壓葉片的鼓風(fēng)工況,從而尼系數(shù)給出。在滿足小擾動假設(shè)并且不計(jì)軸向運(yùn)引起低壓缸部件和低壓葉片的溫度急劇上升,甚動的情況下,圓盤的運(yùn)動可用其中心的位移(x,至過熱。小容積流量還會在葉片和汽缸流道內(nèi)形y)和相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角(q,,日)來表示,其中三成渦流,引起葉片振動,這些都會影響機(jī)組的安個偏轉(zhuǎn)角的意義如圖8所示。全運(yùn)行。傳統(tǒng)供熱機(jī)組為了防止低壓缸部件和低壓葉片產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,機(jī)組在抽汽供熱的同時低壓通流部分必須保證有一定的冷卻蒸汽流量通過,即jiaji j+最小冷卻流量,其通常為設(shè)計(jì)工況流量的10%左右,該部分蒸汽并未參加做功或供熱,熱量完全損失掉了。如能將SSS離合器應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)汽圖7轉(zhuǎn)子一齒輪聯(lián)軸器簡化模型輪機(jī)組,在機(jī)組供熱的工況下將低壓轉(zhuǎn)子從旋轉(zhuǎn)軸系中脫離開來,由高中壓轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機(jī)組,中壓排汽全部供熱,則能夠有效地提高蒸汽熱量的利用率。5結(jié)論(1)本文首先詳細(xì)介紹了SSS離合器的基本圖8坐標(biāo)變換值結(jié)構(gòu)及其工作原理,指出SSs離合器工作狀態(tài)下就是一內(nèi)嚙合齒輪聯(lián)軸器。文獻(xiàn)[2]中將CL型半齒輪聯(lián)軸器等效為一(2)介紹了傳統(tǒng)上對軸承一轉(zhuǎn)子一齒輪聯(lián)軸當(dāng)量圓盤,并根據(jù)圓盤中心的位移參數(shù)與偏轉(zhuǎn)角器耦合軸系進(jìn)行動力學(xué)分析和計(jì)算時采用的兩種參數(shù)列出了整個軸系的運(yùn)動方程,然后解方程得方法—單軸分析法與整體分析法,指出了兩種到了整個軸系的模態(tài)參數(shù)理論計(jì)算值。本文由于傳統(tǒng)分析計(jì)算方法的不足SSS離合器嚙合齒輪參數(shù)的缺失不推導(dǎo)帶離合器軸(3)從工程實(shí)用的角度出發(fā),在一系列假設(shè)系的運(yùn)動方程。的前提下分析了直齒聯(lián)軸器嚙合狀態(tài)下輪齒的受力情況,將嚙合齒輪的力學(xué)模型簡化等效為六個4SSS離合器的應(yīng)用剛度和阻尼系數(shù)。(4)分析了將SSS離合器應(yīng)用到熱電聯(lián)產(chǎn)汽隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組以輪機(jī)組上的優(yōu)越性。如在熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組其能源的高利用率得到了長足的發(fā)展,東方現(xiàn)在的中低壓轉(zhuǎn)子間使用S離合器,則在機(jī)組供熱已經(jīng)為用戶提供了135MW、200MW、300MW、時可有效地提高能源的利用率。600MW功率等級的一系列供熱汽輪機(jī)組。供熱汽輪機(jī)組在抽氣量達(dá)到最大時,低壓缸參考文獻(xiàn)的進(jìn)氣量減小到最小,部分機(jī)組的低壓葉片將進(jìn)[1]李明,虞烈,沈潤杰,齒輪聯(lián)軸器對軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)入到鼓風(fēng)狀態(tài),鼓風(fēng)工況不僅會導(dǎo)致葉片振動甚轉(zhuǎn)速的影響團(tuán)發(fā)電設(shè)備,2000(3):26-28至損壞,而且鼓風(fēng)工況下汽輪機(jī)葉片將做負(fù)功,[2]李明,軸承4如人后艸的動力學(xué)研究中國煤化工負(fù)功使得蒸汽焓值升高,焓值的升高導(dǎo)致汽流溫CNMHG度上升,進(jìn)而引起壓力升高,蒸汽容積流量隨之劉景里.SS四知克明,01