关于联轴器及其振动

评评理

　　本文不是关于联轴器的专业论述，仅讨论与其振动相关的内容。

　　联轴器是连接两根轴的部件，主要功能是从驱动端到被驱动端传递扭矩。

　　联轴器分为刚性和柔性两种。刚性联轴器一般用于大型蒸汽透平-发电机机组及大型立式泵中，柔性联轴器则广泛应用于电机、泵、压缩机、风机、风扇等机械中。

　　转子不对中在机械故障中占比很大，超过50%，最显而易见的破坏是导致动静部件(如轴承、密封等)的摩擦，改变轴承的负荷，影响其使用寿命等。

　　两根轴的完美对中是很难的，所以希望联轴器可以减缓不对中产生的影响是很自然的联想。另外，热膨胀可能改变冷态对中状态，转子在轴承中的位置可能会随负荷的变化而改变(如齿轮传动中载荷变化影响轴中心的位置)，进而改变原始的对中状态。

　　刚性联轴器
　　刚性联轴器的“刚性”是指轴端与半联轴器凸缘一体，两边的凸缘直接用螺栓连接，因而其柔性仅来自于有限的轴的梁弯曲弹性，刚性联轴器没有柔性联轴器那么使用广泛。

　　优势：
　　     · 传递功率大
　　     · 尺寸小
　　     · 不需要润滑
　　     · 没有摩擦
　　     · 造价低
　　     · 可以减小轴承数量(如果两根轴之间可以省掉一个轴承)
　　劣势：
　　     · 对中要求高，无法动态对中，冷态对中要考虑热态时的情况。
　　     · 对心(内部对中)也很重要
　　     · 安装和拆开困难
　　     · 柔性取决于转子的弹性，范围小
　　     · 两根转子可视为一根转子，轴系动态特性不完全等同于单转子情况，包括轴向和径向。
　　常见故障：
　　     · 不平衡 – 除通常的质量不平衡外，还可能是对中引起的质量中心变化
　　     · 轴承损坏 – 不对中会导致载荷的分布发生变化，某些轴承会过载，导致损坏，包括密封的过载损坏，影响它们的使用寿命
　　     · 摩擦 – 不对中可能导致动静间隙减小，从而发生摩擦
　　     · 流体失稳 – 不对中可能使得转子在某轴承位置抬高，失去载荷，从而在该轴承或密封处导致油膜失稳。
　　     · 联轴器螺栓失效 – 部分螺栓的失效使得转子刚度各向异性，类似于转子裂纹特征。
　　     · 转子裂纹 – 不对中导致转子上存在交变应力，易于发生疲劳失效。

　　柔性联轴器
　　柔性联轴器是最常见的联轴器。因为转子间不可能完美对中及对中的保持，以及机器运行时负荷变化等会产生轴位移，包括转子胀差，如果联轴器不能补偿，就会传递下去、积累下来，对机器的安全运行影响很大，而柔性联轴器可以补偿/减少转子上的由上述因素引起的弯曲应力，所以理论上，大部分机器之间的连接都应该用柔性联轴器。“柔性”是指联轴器内部的部件间可以相对滑动或者可有比转子本身更大的绕度。轴向滑动补偿轴位移和胀差，径向滑动和侧滑补偿不对中。

　　结构：凸缘、柔性单元、短节、螺栓。短节一般是连接柔性元件的空心管，但不是所有的联轴器都需要短节。

　　优点：
　　     · 允许有限的不对中
　　     · 减小转子上的应力
　　     · 每根转子可有一定的轴向载荷和轴位移
　　     · 解耦转子间的平移模式
　　     · 从转子的横向动力特性角度来讲，柔性联轴器也是很重要的，因为它隔断或者减小力和力偶在相连的两根转子间传递和影响。
　　     · 联轴器的重量和质量中心对转子的响应有较大影响。
　　缺点
　　     · 联轴器的复杂性使得现场安装容易出现错误
　　     · 因为相对运动不可避免磨损，也容易导致疲劳失效
　　     · 因为有短节，所以机器间的距离拉大了
　　     · 附加的重量修改了转子的共振频率和响应
　　     · 可能产生额外的特定的频率
　　需要对联轴节本身，以及连接后的轴系做动平衡，得到最佳的平衡状态。同时这样就增加了维修成本，也增加了现场安装不当的机会，不正确的安装反过来又影响转子的平衡。
　　常见故障：
　　     · 现场不正确的安装带来的不平衡
　　     · 损坏的部件带来的不平衡

　　齿式联轴器
　　是以齿轮作为允许相连的两根转子作相对运动的滑动单元

　　桡性单元是由一对啮合的齿轮组成，一个齿轮位于主轴的凸缘，一个位于短节的凸缘，所以一个为内齿，一个为外齿。

　　平行不对中和角度不对中分别通过齿轮齿的齿冠向移动和侧隙移动来补偿和调节，轴位移和胀差通过齿长度方向调节。

　　油脂润滑的齿式联轴器常常不用短节。
　　低速机器常用油脂润滑，高速机器常用滑油润滑

　　齿式联轴器的优点：
　　     · 较膜片联轴器轻，它影响悬臂力矩和临界转速。
　　     · 可用于高速机器
　　     · 相比膜片或盘片式联轴器，能容许更大的轴向移动，
　　     · 提供较高的扭转刚度。
　　     · 互换性能好，不同的制造商只要加工的齿形参数一致就不难达成，因为有统一的标准。
　　因为齿式联轴节多点传力(齿数)，而膜片连接的受力点少得多(螺栓的个数)
　　缺点：
　　     · 需要润滑，并且很重要
　　     · 比膜片或盘片联轴器寿命短
　　     · 加油脂时需要停机，是被动、周期性地停机加油
　　     · 滑油润滑需要油品清洁，是主动、连续供油系统。
　　     · 为减小滑动摩擦，润滑是不可或缺的。但润滑的失效不可避免地会导致齿轮的失效。润滑油加油的寿命比油脂加油的使用寿命长，但比膜片轴承的寿命短
　　故障
　　     · 联轴器锁死。导致转子受到异常的轴向和径向力作用
　　     · 磨损和偏心导致不平衡
　　     · 常见的失效模式是因为不对中、润滑失效、齿面表面硬度不合适等原因引起过载，导致齿面磨损。对于齿式联轴器，失效发展过程较慢，可以通过监测来预警，避免潜在的较大故障。

　　膜片式联轴器
　　通过膜片传递扭矩，通常中间有短节，短节两边各有一组膜片，由膜片的弹性实现联轴节的桡性。对应两种设计，分为单片式和多膜式

　　单膜片式联轴器

　　单膜片式联轴器的特点是整个膜片为等应力分布，因而是变厚度的，厚度是半径的指数的倒数。

　　使用单个膜片，设计简单，但等应力变厚度制造成本高。

　　膜片电焊在短节端，转子端用螺栓连接。焊接处应力大，因而对电焊质量要求高。

　　轴向位移大时，所受应力特别大，所以清楚运行时的轴位移很重要，安装时就可以预拉或者预压，以减小运行时的应力。

　　弹簧刚度径向是线性的，但轴向是非线性的。

　　多膜片式膜片联轴器
　　特点是由多个波浪式的膜片组成，膜片是等厚度的，所以沿径向不是等应力的。

　　一般来说，桡性更大，因而能补偿更多的不对中和轴向位移。

　　比单膜片或者齿式联轴器有更多的部件和螺栓，因而同样的载荷条件下重量更重。

　　和盘式联轴器类似，其外端的应力更大，损坏时外侧先破坏。

　　优点：
　　     · 除非特别高的转速的情况，一般不需要额外的润滑，也因为没有冷却系统，相对于齿式联轴器，内部温度较高。但过高的温度下可能需要冷却系统。
　　     · 相比于齿式联轴器，膜片联轴器对轴位移的补偿较弱。所以不适合于轴位移大的应用。
　　     · 近些年来，随着金属材料的发展及有限元辅助设计的帮助，膜片联轴器的高可靠性越来越被认可。
　　缺点
　　     · 不适合于轴位移大的应用，包括热膨胀大、轴向载荷大的场合。预拉/预压是有限的。
　　     · 角不对中会产生弯曲应力和轴位移。这些应力的大小和膜片的半径长度(外径-内经)/2，以及内经有关，所以为了减小该应力，设计者可以增大外径，或者减小内经，或者同时增外径减小内径。但同时 增外径减小内径有不利的地方，减小内经就增加了传递扭矩的的剪切力，而增加外径就更增加了联轴器的重量，增加了风阻，产生更多的热量，在膜片的外端增加了更大的应力。
　　     · 比起齿式联轴器，传递同样的力矩，其尺寸更大。
　　     · 既然这种联轴器多用于高速机组，需要考虑联轴器的中心的位置及其变化，转子端部与凸缘的过盈配合及键连接的设计要求引起特别注意。
　　     · 轴向共振频率(NARF)。轴向振动包括激起轴向共振需要被考虑，短节有质量，也因为膜片有特定的弹簧刚度，因而有自身的轴向共振频率，理论上，一旦发生共振，就会使膜片受力，并可能产生轴向振动。轴向振动的问题是阻尼小，过共振时放大倍数大。这个共振频率是由制造商提供的，并且其值要考虑到制造商推荐的预拉作用。因为弹簧系数K值与膜片的绕度多少有关，所以固有频率亦然，不同的绕度对应的固有频率稍有不同。
　　主要故障
　　     · 膜片联轴器的主要失效模式是膜片的高周疲劳
　　     · 扩展中的裂纹会改变轴向固有频率
　　     · 由于裂纹的扩展，产生不平衡及/或者转子刚度各向异性
　　     · 因为联轴器内夹进固体或者液体(油)而导致不平衡
　　     · 任何膜片、盘片等弹性单元的高应力 – 腐蚀、膜片间夹杂固体等都会导致裂纹。
　　膜片因不对中受到变化的弯曲应力，因而主要的失效模式为材料的高周疲劳，但不幸的是常常发生这样的灾难性事故。膜片的疲劳失效常常是灾难性的

　　垫片式(弹性盘片)联轴器
　　它可能是应用最广泛的桡性联轴器。

　　通过两组碟片来传递功率，每组碟片是由很多薄的弹性垫片组成。
　　最大的应力发生在螺栓孔的位置
　　增加螺栓的个数就会增加传递的扭矩能力
　　增加螺栓数同时也减小了允许的不对中和轴位移量
　　碟片受到拉力、压力和弯曲力

　　上图是不对中时盘片联轴器的受力示意图。
　　传递扭矩时，盘片的一半受到拉力作用，另一半受到压力。受拉的部分传递扭矩，受压的部分不传递扭矩，但可能产生弯曲，如同任何的受压细长梁一样。
　　有些盘片在外端做成扇形，得到一个等应力分布梁模式，增加联轴节的桡性。等应力分布梁较为弹性。
　　某些高扭矩设计在径向位置使用双螺栓以减少螺栓孔处的应力

　　优势：
　　     · 无需润滑
　　     · 可用于高温条件
　　     · 如果失效是碟片扭曲变形，那么维修成本低廉
　　     · 容易直接更换成齿式联轴器，但要计算共振频率和刚度。高转速应用中，成本主要是维修费用，不是硬件的本身。

　　缺点
　　     · 只能补偿有限的轴向位移，过大的轴向位移会导致碟片扭曲，导致失效
　　     · 力矩过载时容易损坏
　　     · 在同样的额定功率下比较重。

　　故障
　　     · 失效的盘片可能导致不平衡，还会带来刚度的变化
　　     · 因为在螺栓处各向异性的刚度，可能受到径向预载荷的作用，会产生特定的频率的振动

　　这个图的碟片是扇形的，共有6个螺栓，三个连接碟片到左边的转子法兰上，三个链接碟片到右边的联轴器短节轮缘或者对面转子的法兰上。哪怕只有轻微的不对中，每转的转子刚度将变化三次或者6次，如果径向预载荷(不对中)足够大，可能会产生3X和/或6X的频率分量。

　　弹性元件联轴器
　　常用于降低扭振

　　上图是去掉端盖/组件分解的弹性元件联轴器，Croset 联轴器，也叫Holset 联轴器(因为制造商)，设计初衷是为减小扭振，用在往复引擎和同步电机上。改变弹性元件的硬度可以改变其扭振刚度，弹性单元也提供一定的阻尼，从而也有减震的作用。
　　扭振的刚度与作用在其上的扭矩有关，所以系统的扭振固有频率(通常是第一阶基本共振频率)与扭矩的大小有关。
　　对于电机驱动的机组，电机的扭矩和转速有关，所以由于变化的联轴器的扭振刚度，某些系统可以在启机过程中完全避免激起第一阶基本扭振频率。
　　利用弹性元件的柔性来补偿不对中。其中的弹性元件一般由橡胶、聚氨酯，聚四氟乙烯或尼龙等为材料。分类为：受剪切力来传递扭矩;受压力来传递扭矩。
　　常用于只需一个接头的紧凑布置的机器，比起其它柔性联轴器，它扭起来柔软很多，因为弹性体扭曲及强度在高速时受限，所以应用于转速不高的机器。也因为高温、紫外线和化学腐蚀对弹性体的强度衰减影响很大，所以必须周期性地检维修。

　　优点
　　     · 比齿式、盘式、膜片式更柔软、更抗扭振
　　     · 有一定的阻尼，能降低扭振的幅值
　　     · 结构紧凑，只有一个柔性接头。(无需短节)
　　缺点
　　     · 受限于尺寸(这种联轴器尺寸大)、扭曲变形、高转速时的强度限制的影响，只应用于低转速设备
　　     · 因为尺寸大，联轴器很重，使转子受到很大的额外的悬臂弯矩作用，设计时要特别当心，也因此一般它不会作为别的类型的联轴器的替代联轴器。别的类型倒是可以替换它，因为尺寸变小、重量减轻、额外的悬臂力小
　　     · 高温、紫外线和化学腐蚀对弹性体的强度和硬度衰减影响很大，需要周期性维修
　　弹性单元时间长会硬化，导致扭振固有频率增加，所以可能导致潜在的扭振问题。
　　故障
　　     · 偏心导致不平衡
　　     · 各个弹性单元的不均匀退化和损坏
　　     · 轴长时间不运转，导致静态中心线的径向移动
　　     · 维修时不是更换全部弹性单元。应该全部换成一样的，即使弹性体长
　　     · 间闲置退化了也要换，所以如果原始弹性单元变硬了，导致了扭振问题，即使换上“新的”但长时间没用且已经硬化了的弹性体，还是不能解决问题。

　　液力耦合器
　　用于为扭振提供阻尼，降低扭矩的冲击、限制过大的扭矩等等，也用于无载荷启机、液力偶合器、可变速情形。这种联轴节发明很早，1906，用于工业、铁路、汽车和航空。更多详情可到互联网中通过流体联轴器关键词搜索。

　　在液力耦合器壳体中，由连接到驱动器的“泵”和连接到从动机器的“涡轮机”组成。壳体中的液压流体由泵驱动并驱动涡轮机。可以改变流体的量以控制扭矩和/或速度
　　有两种基本类型：
　　     · 限矩型：充满流体，可产生额定的最大扭矩。
　　     · 调速型：可以改变液位，从而控制速度和扭矩。

　　优点：
　　     · 能消除或者衰减扭振
　　     · 是旋转冲击的减震器
　　     · 控制扭矩
　　     · 防止冲击载荷
　　     · 低扭矩启动。
　　     · 非接触式(液力)离合器。
　　     · 变速。驱动器可以在恒定速度运行，被驱动机转速可以是0到100%的驱动机转速。
　　     · 电机以最小电流和温度启动。
　　     · 功率匹配要求不需要很精确。

　　缺点
　　     · 又大又重，产生了额外的悬臂弯矩
　　     · 加热流体造成功率损失。
　　     · 通常需要额外的、专用的润滑系统。
　　     · 比任何其它联轴器更昂贵。

　　不会出现真正的“锁死”，但有1%~2%的滑差功耗(或者在变速应用中更多)。

　　故障
　　     · 泄漏引起的流体损失(还有环保问题)。
　　     · 流体损失可导致过热开关保护被激活停机。
　　     · 在极端情况下流体损失会导致可熔塞堵塞。这些联轴器内有易熔塞，如果液位低或高负荷时产生滑动，会导致异常的高温，此时易熔塞融化，产生保护动作。
　　     · 由于转速差异导致的不平衡情况。输入轴和输出轴之间的转速不同，特别是在小滑动转速时，可以产生拍振效应。(因为输入和输出之间的不平衡产生两个振动频率，会发生拍振及其和差频率。)

　　离合器(机械)
　　离合器是可以方便连接和解列两根转子的设备，下图是爪式离合器

　　离合器广泛用于启动燃气轮机，但也用于内燃机，如汽车。还可作为扭矩限制器，例如，它们可用于电动工具上(电动螺丝刀，钻头等)。颚式联轴器，通常被称为“狗式”联轴器，已经在工业范围内被超越离合器取代。
　　当接合时，钳口或棘轮只能沿一个旋转方向行驶。当被驱动机器达到所需速度时，离合器自动脱开。可以通过多种方式控制离合：液压，电气(螺线管)，离心，机械。
　　优势：
　　     · 体积小
　　     · 无需润滑
　　     · 重量轻(对于航空发动机来说，重量是个重要的因素)
　　     · 成本低
　　机械离合器与液压离合器比较的缺点
　　     · 部件磨损
　　     · 所有的扭矩和载荷都由辅助启机动力提供.
　　     · 没有扭矩限制
　　     · 可能脱不开
　　机械离合器的故障
　　     · 无法脱开，导致
　　     · 辅助启机动力超速
　　     · 改变了主机的转子动力特性
　　     · 可能导致不平衡
　　     · 磨损或者损坏

　　超越离合器
　　自20世纪90年代后期以来，这已经成为用于启动燃气轮机的颚式联轴器的标准替代品。

　　通常被称为SSS离合器，因为制造商(SSS离合器)和名称缩写被称为同步自动换档(Synchronous Self Shifting)。
　　当驱动机的转速超过被驱动机器速度时，离合器自动咬合，动力传递给被驱动机
　　棘爪致动的螺旋滑动机构用于使离合器驱动和从动齿进入平滑的正啮合;当被驱动机器的转速超过驱动机构的转速时，离合器自动脱开

　　超越离合器的优点
　　     · 自动接合和脱离
　　     · 无需停机后才能咬合
　　     · 通常可以直接替代爪式离合器。
　　     · 功率高，可用于同步冷凝器(LM系列发动机)领域
　　     · 维护问题很少。
　　     · 非常可靠

　　在“LM”系列发动机以及一些“frame”发动机中经常看到SSS离合器的使用。在这些应用中，该装置都允许在发电机与电网脱扣时关闭发动机，从而起到类似同步冷凝器的作用，用于提高功率因数。在frame式发动机上，SSS离合器在负载箱内部，在LM系列燃机上，它位于透平和发电机之间的单独壳体中。 Frame机组可以呈现一些奇怪的数据，因为当透平跳闸时，负载箱小齿轮和燃气涡轮机可以以不同的速率减速。一旦燃油切断，透平和小齿轮开始减速，SSS离合器自动脱离，但由于惯性，低速齿轮和发电机以较慢的速度减速。

　　缺点
　　     · 比颚式联轴器更昂贵，但相对没有维护问题。
　　     · 在动力传输应用中，例如直连发电机的航改机燃机，可能需要特殊的对中夹具和技术。

　　故障
　　     · 泄漏引起的流体损失(环保问题)。
　　     · 由于安装或维护不当导致对中问题。
　　     · 在极端情况下流体损失会导致可熔塞堵塞。