摘 要
隨著社會(huì)的發(fā)展，聯(lián)軸器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，聯(lián)軸器用來(lái)聯(lián)接不各種聯(lián)軸器的圖例同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。聯(lián)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)情況，可以分為：固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等?？梢剖铰?lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈性可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構(gòu)成的動(dòng)聯(lián)接具有某一方向或幾個(gè)方向的活動(dòng)度來(lái)補(bǔ)償，如牙嵌聯(lián)軸器（允許軸向位移）、十字溝槽聯(lián)軸器（用來(lái)聯(lián)接平行位移或角位移很小的兩根軸）、萬(wàn)向聯(lián)軸器（用于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方）、齒輪聯(lián)軸器（允許綜合位移）、鏈條聯(lián)軸器（允許有徑向位移）等，彈性可移式聯(lián)軸器（簡(jiǎn)稱彈性聯(lián)軸器）利用彈性元件的彈性變形來(lái)補(bǔ)償兩軸的偏斜和位移，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，如蛇形彈簧聯(lián)軸器、徑向多層板簧聯(lián)軸器、彈性圈栓銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器、橡膠套筒聯(lián)軸器等。聯(lián)軸器有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。選擇時(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)算。本文通過(guò)研究聯(lián)軸器的相關(guān)的特性及應(yīng)用展開(kāi)論述。
關(guān)鍵詞：基于人機(jī)工程學(xué)；聯(lián)軸器；防護(hù)；設(shè)計(jì)與仿真；
目錄
摘要
Abstract
目錄
第一章緒論
1.1聯(lián)軸器簡(jiǎn)介
1.2研究目的和意義
第二章人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理論概述
2.1 人機(jī)工程學(xué)概述
2.2人機(jī)工程設(shè)計(jì)
2.3人機(jī)工程學(xué)研究發(fā)展概況和現(xiàn)狀
第三章人機(jī)工程學(xué)聯(lián)軸器的防護(hù)設(shè)計(jì)
3.1聯(lián)軸器防護(hù)基本思想
3.2聯(lián)軸器防護(hù)數(shù)值分析理論
3.3聯(lián)軸器防護(hù)軟件的簡(jiǎn)介
3.4聯(lián)軸器防護(hù)的結(jié)構(gòu)分析
3.5聯(lián)軸器的聯(lián)軸器防護(hù)分析
3.5.1聯(lián)軸器防護(hù)模型的建立
3.5.2加載與計(jì)算
3.5.3后處理
3.5.4十字軸聯(lián)軸器防護(hù)分析
第四章聯(lián)軸器的防護(hù)仿真分析
4.1防護(hù)分析理論
4.2聯(lián)軸器軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程
4.3聯(lián)軸器固有頻率與主振型
4.5回轉(zhuǎn)體臨界轉(zhuǎn)速
第一章緒論
1.1聯(lián)軸器簡(jiǎn)介
聯(lián)軸器,能把兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件聯(lián)接在一起，以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它是一種廣泛應(yīng)用的機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)部件，有時(shí)也作為一種安全裝置用來(lái)防止被聯(lián)接件承受過(guò)大的載荷，起到過(guò)載保護(hù)的作用。由于制造及安裝的誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響，聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸存在著相對(duì)位移，這會(huì)使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在軸、聯(lián)軸器、軸承等部位引起附加載荷，導(dǎo)致工作情況惡化。因此，聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)上一般都采取了各種不同的措施，使聯(lián)軸器具有補(bǔ)償各種偏移量的能力。
隨著機(jī)器大工業(yè)的發(fā)展，對(duì)聯(lián)軸器的性能、可靠性要求越來(lái)越高，盡管目前有不少系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的聯(lián)軸器，但是由于機(jī)械的種類和型式多樣，所以需要各種性能不同的聯(lián)軸器，以適應(yīng)不同的情況和使用要求，聯(lián)軸器使用范圍廣泛，在冶金礦山、交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、航天航空、船舶機(jī)械、輕工紡織等眾多行業(yè)都有大量的應(yīng)用。
若按補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移能力的不同，聯(lián)軸器種類可分為:
1、剛性聯(lián)軸器:包括套筒聯(lián)軸器、火殼聯(lián)軸器和凸緣聯(lián)軸器等;
2、撓性聯(lián)軸器:包括無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器、非金屬?gòu)椥栽膿闲月?lián)軸器和金屬?gòu)椥栽膿闲月?lián)軸器;
3、安全聯(lián)軸器:包括銷釘剪斷式安全聯(lián)軸器、液力聯(lián)軸器(又稱液力禍合器)和鋼球式節(jié)能安全聯(lián)軸器。
1.2研究目的和意義
目前我國(guó)運(yùn)輸車輛、重型機(jī)械、冶金機(jī)械、輕工機(jī)械、石油機(jī)械、橡膠機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域所使用的大多數(shù)仍為不等角速傳動(dòng)的十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器，急需進(jìn)行更新?lián)Q代，以便在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合采用等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器，而我國(guó)等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器的技術(shù)來(lái)源主要是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前依靠引進(jìn)技術(shù)已進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的球籠式、球叉式等等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器仍具有工藝復(fù)雜、制造成本高等主要缺點(diǎn)。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，每年將需要大量的等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器投入使用，該項(xiàng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得的理論方法成果必將對(duì)在我國(guó)成功研制新一代更優(yōu)等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)作用，新一代機(jī)構(gòu)必將取代目前仍在大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域使用的十字軸非等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)和部分依賴進(jìn)口技術(shù)的等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)。我國(guó)的汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，未來(lái)幾年及十幾年汽車工業(yè)特別是轎車工業(yè)有輝焊的發(fā)展前途，轎車的發(fā)展對(duì)等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器的需求量極大，傳動(dòng)平穩(wěn)的萬(wàn)向聯(lián)軸器會(huì)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展有較大的市場(chǎng)。等角速萬(wàn)向聯(lián)軸器的研究開(kāi)發(fā)成熟后，將技術(shù)與市場(chǎng)直接掛鉤，必將會(huì)得到廣泛的推廣，這將是我國(guó)機(jī)械行業(yè)的一個(gè)舉足輕重的進(jìn)步，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2.1 人機(jī)工程學(xué)概述
人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和醫(yī)學(xué)等有關(guān)科學(xué)知識(shí)，研究組成人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)器和人的相互關(guān)系，以提高整個(gè)系統(tǒng)工效的新興邊緣科學(xué)。人機(jī)工程學(xué)研究在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)如何考慮人的特性和能力，以及人受機(jī)器、作業(yè)和環(huán)境條件的限制。人機(jī)工程學(xué)還研究人的訓(xùn)練，人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以及同人機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的生物學(xué)或醫(yī)學(xué)問(wèn)題。對(duì)于這些研究，在北美稱為人因工程學(xué)或人機(jī)工程學(xué)，蘇聯(lián)稱為工程心理學(xué)，歐洲，日本和其他國(guó)家稱為工效學(xué)。國(guó)際人類工效學(xué)會(huì)(International Ergonomics Association)為人機(jī)工程學(xué)下的定義是:人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。人機(jī)工程學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容包括人體特性的研究、人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、工作場(chǎng)所和信息傳遞裝置的設(shè)計(jì)、環(huán)境控制與安全保護(hù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。
2.2人機(jī)工程設(shè)計(jì)
本文中討論的人機(jī)工程設(shè)計(jì)就是指主要以人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合工作場(chǎng)所和信息傳遞裝置的設(shè)計(jì)、環(huán)境控制與安全保護(hù)設(shè)計(jì)的人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法與程序，其中的核心就是人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。人機(jī)系統(tǒng)包括人和機(jī)兩個(gè)基本組成部分，他們相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)整體。人機(jī)系統(tǒng)的性質(zhì)和特征可以用模型表示，圖2-1是人機(jī)系統(tǒng)的模型。它的意義是指人機(jī)之間存在著信息環(huán)路，人機(jī)相互聯(lián)系具有信息傳遞的性質(zhì)。系統(tǒng)能否正常工作，取決于信息傳遞過(guò)程能否有效的進(jìn)行，人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了解決系統(tǒng)中的人的效能、安全和身心健康的問(wèn)題。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并非單一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而是適合于所有產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法。任何一個(gè)產(chǎn)品的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要具體分析和定義，才能確定人機(jī)關(guān)系的性質(zhì)和問(wèn)題，并進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了解決系統(tǒng)中的人的效能、安全和身心健康的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，狹義的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)本身進(jìn)行的分析和設(shè)計(jì)，適用于普通的日用產(chǎn)品和機(jī)電產(chǎn)品。設(shè)計(jì)更多的是根據(jù)人機(jī)工程的原理和參數(shù)，強(qiáng)調(diào)使用者的安全、舒適、滿意，采用的是分析一試驗(yàn)法。廣義的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指全面的、大概念的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適應(yīng)于軍事、航天等復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了設(shè)計(jì)某個(gè)具體系統(tǒng)以外，還包括作業(yè)、培訓(xùn)、選擇人員標(biāo)準(zhǔn)、維修、作業(yè)輔助等一系列人機(jī)系統(tǒng)得匹配和“支持系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)操作者的可靠性、效率、作業(yè)精度，其采用的是綜合一分析法。本文中討論的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是指狹義的人際系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也適當(dāng)考慮了作業(yè)系統(tǒng)和支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總是多學(xué)科聯(lián)合設(shè)計(jì)的一部分，通常與其他設(shè)計(jì)者組合，這完全是由人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性質(zhì)確定的。因此，只有采用系統(tǒng)科學(xué)的方法才能綜合各學(xué)科的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在解決設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，多運(yùn)用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)策略，并制訂與其他學(xué)科相互配合的進(jìn)度表。重要的是必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期就參與設(shè)計(jì)，充分考慮人的因素，反映人的需要。
2.3人機(jī)工程學(xué)研究發(fā)展概況和現(xiàn)狀
人機(jī)工程學(xué)是一門(mén)新興的邊緣學(xué)科，它起源于歐洲，形成于美國(guó)，發(fā)展于第二次世界大戰(zhàn)期間。二戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，武器系統(tǒng)變得越來(lái)越龐大而復(fù)雜。導(dǎo)致武器效率降低，并發(fā)生大量的事故。為了提高武器的效率，減少操作事故，對(duì)操作方法、操作要求及操作環(huán)境等人機(jī)工程學(xué)的研究是不可缺少的，并取得了許多成果。人機(jī)工程學(xué)不僅對(duì)軍事裝備的設(shè)計(jì)及使用十分重要，而且對(duì)汽車、飛機(jī)、電子設(shè)備、家用電器、公路標(biāo)志、宇航醫(yī)學(xué)、企業(yè)管理等均有重要作用。因而，二戰(zhàn)期間產(chǎn)生的人機(jī)工程學(xué)在50年代獲得了迅速發(fā)展。非軍事領(lǐng)域應(yīng)用人機(jī)工程的理論和方法，解決了民用工業(yè)和工程設(shè)計(jì)中存在的許多問(wèn)題，到60年代末，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，例如控制論、信息論、系統(tǒng)論和人體科學(xué)等學(xué)科中新理論的建立，給人機(jī)工程學(xué)提供了新的理論基礎(chǔ)，而且也給該學(xué)科的研究提出了新的要求和新的課題，促使人機(jī)工程學(xué)進(jìn)入了系統(tǒng)的研究階段即現(xiàn)代人機(jī)工程學(xué)發(fā)展階段。期間，不僅拓寬了人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且提高了其研究水平。
由于人機(jī)工程學(xué)在軍事、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中的重要地位，各國(guó)越來(lái)越重視該學(xué)科的研究，并相繼建立了專門(mén)的研究機(jī)構(gòu)。1949年英國(guó)首先成立了人機(jī)工程學(xué)研究會(huì)，該協(xié)會(huì)1957年發(fā)行了會(huì)刊《Ergonomics))，此刊現(xiàn)已成為國(guó)際性刊物。1953年聯(lián)邦德國(guó)成立了人機(jī)工程學(xué)會(huì)，1957年美國(guó)成立了人的因素協(xié)會(huì)(HFS) o到60年代，這一學(xué)科已在世界范圍內(nèi)普遍發(fā)展起來(lái)，1960年成立了國(guó)際人機(jī)工程學(xué)協(xié)會(huì)(工EA) , 1961年舉行了第一次國(guó)際人機(jī)工程學(xué)會(huì)議，1962年前蘇聯(lián)全蘇技術(shù)美學(xué)研究所成立，并成立了人機(jī)工程學(xué)學(xué)部，1963年日本成立了人機(jī)工程學(xué)學(xué)會(huì)，同年法國(guó)也成立了人機(jī)工程學(xué)會(huì)。這些機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)交流會(huì)議對(duì)人機(jī)學(xué)的研究和發(fā)展起到了有力的推動(dòng)作用，使國(guó)際人機(jī)學(xué)的研究達(dá)到了一個(gè)新的水平。人機(jī)工程學(xué)發(fā)展的另一個(gè)特點(diǎn)是，該學(xué)科己與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)相結(jié)合。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1975年成立國(guó)際人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)(TC-159) o我國(guó)人機(jī)工程學(xué)研究起步較晚。作為一門(mén)學(xué)科，80年代初才確立，有些大學(xué)及研究所建立了相應(yīng)的研究室。1980年，在機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)成立了“中國(guó)人類工效學(xué)學(xué)會(huì)”，下設(shè)人機(jī)工程專業(yè)委員會(huì)。人機(jī)工程學(xué)在我國(guó)己得到多方面應(yīng)用，如:工程機(jī)械應(yīng)用研究、安全工程應(yīng)用研究以及人機(jī)工程理論研究與職業(yè)適應(yīng)性研究。80年代以后，國(guó)內(nèi)陸續(xù)出版了有關(guān)人機(jī)工程學(xué)的專著、譯著和教材。兵器行業(yè)也初步開(kāi)展了人機(jī)工程的研究與應(yīng)用工作，成立了相應(yīng)的專業(yè)機(jī)構(gòu)。80年代對(duì)坦克乘員進(jìn)行了人體測(cè)量，并用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了處理，從而獲得了我國(guó)現(xiàn)役坦克乘員人體尺寸的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);“八五”期間，開(kāi)展了“坦克乘員工效數(shù)據(jù)測(cè)定與研究”課題，它的內(nèi)容包括人體各部的幾何尺寸(靜態(tài)尺寸)和人體的活動(dòng)操作范圍(動(dòng)態(tài)尺寸)、人體的體力和操縱力、人機(jī)界面參數(shù)以及坦克乘員艙的環(huán)境參數(shù)等。綜上所述，人機(jī)工程學(xué)的發(fā)展有如下三大特點(diǎn):
①人機(jī)工程學(xué)從武器裝備開(kāi)始研究，取得成果后，推廣到非軍事領(lǐng)域，后者反過(guò)來(lái)又促進(jìn)前者的發(fā)展;
②從局部研究發(fā)展到系統(tǒng)研究。產(chǎn)品研制把產(chǎn)品設(shè)計(jì)和人機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)時(shí)既重視產(chǎn)品功能和性能的設(shè)計(jì)，同時(shí)也重視“人的因素”、操作設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)等人機(jī)協(xié)調(diào)與匹配問(wèn)題，使研制出的產(chǎn)品不僅性能優(yōu)良，而且與人的生理、心理協(xié)調(diào); ③人機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范化。各個(gè)領(lǐng)域人機(jī)工程的設(shè)計(jì)、研究及其應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化相結(jié)合，使人機(jī)工程學(xué)發(fā)展到更高的層次。
人機(jī)工程雖然是一門(mén)新興的邊緣科學(xué)，但其蹤跡已深入到各個(gè)領(lǐng)域。
首先，在民用領(lǐng)域，人機(jī)工程為生產(chǎn)力的發(fā)展和提高提供了理論依據(jù)和技術(shù)手段。很顯然，生產(chǎn)力是人、機(jī)、環(huán)境三大要素的有機(jī)結(jié)合。為了發(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力，我們應(yīng)該積極運(yùn)用人機(jī)工程的理論，全面優(yōu)化人、機(jī)、環(huán)境三者之間的關(guān)系，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展。
與此同時(shí)，在軍事領(lǐng)域，人機(jī)工程理論也為戰(zhàn)斗力的發(fā)展和提高提供了理論依據(jù)和技術(shù)手段。任何的武器裝備都必須靠人去掌握和操縱，而且它也只能在特定的環(huán)境下才能發(fā)揮其性能。武器只是一種可能的戰(zhàn)斗力，它只有同人和環(huán)境結(jié)合，才能成為現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)斗力。因此，正確處理人、武器裝備、作戰(zhàn)環(huán)境這三個(gè)基本要素的關(guān)系，歷來(lái)都是提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵。所以，在軍事領(lǐng)域積極應(yīng)用人機(jī)工程的理論，就能為國(guó)防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的提高產(chǎn)生積極的作用。
隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)工程的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形仿真是通過(guò)數(shù)據(jù)處理，圖形顯示，結(jié)果分析等手段對(duì)人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)的技術(shù)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在圖形顯示硬件、圖形生成算法和圖形軟件的實(shí)現(xiàn)各方面都取得了重大進(jìn)展，如多媒體，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，這些新技術(shù)很快就在人一機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)的仿真中得以應(yīng)用。
第三章人機(jī)工程學(xué)聯(lián)軸器的防護(hù)設(shè)計(jì)
3.1聯(lián)軸器防護(hù)基本思想
聯(lián)軸器的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組聯(lián)軸器個(gè)、目按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的的組合體。具體可以分為二個(gè)過(guò)程W假想把連續(xù)系統(tǒng)(包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì))分割成數(shù)目聯(lián)軸器的，之間只在數(shù)目聯(lián)軸器的指定點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))處相互聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)集合體來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效載荷(或邊界條件)，代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。
(2)對(duì)每個(gè)由分塊近似的思想，按一定的規(guī)則(由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù))建立求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用(力)之間的關(guān)系(力一位移、熱量一溫度、電壓一電流等)。
(3)把所有的這種特性關(guān)系按一定的條件(變形協(xié)調(diào)條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理)集合起來(lái)，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量(位移、溫度、電壓等)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到聯(lián)軸器個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量?？梢?jiàn)，聯(lián)軸器防護(hù)法實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有聯(lián)軸器個(gè)自由度的幾何體，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合十?dāng)?shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。由于能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。聯(lián)軸器作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。這樣一來(lái)，一個(gè)問(wèn)題的聯(lián)軸器防護(hù)分析中，未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量(也即自由度)，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的聯(lián)軸器自由度問(wèn)題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過(guò)插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。顯然隨著數(shù)目的增加，也即尺寸的縮小，或者隨著自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂十精確解。近二十年來(lái)聯(lián)軸器的理論和應(yīng)用都得到迅速的、持續(xù)不斷的發(fā)展。已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和振動(dòng)問(wèn)題。分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。聯(lián)軸器防護(hù)作為一種數(shù)值分析的方法，為復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)分析及過(guò)程分析提供了一種精確可靠的手段，在當(dāng)今各個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造等不同工程應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛使用，在工程分析中的作用己從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并成為計(jì)算機(jī)輔助工程中的一個(gè)重要部分。聯(lián)軸器防護(hù)法是適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)的使用而發(fā)展起來(lái)的一種比較新穎和有效的數(shù)值計(jì)算方法，是解決工程實(shí)際問(wèn)題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具。最初這種方法被用來(lái)研究復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，它是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù);后來(lái)由十這一方法的靈活、快速和有效性，使其迅速發(fā)展成為求解各領(lǐng)域的數(shù)理方程的一種通用的計(jì)算方法。目前，它在許多學(xué)科領(lǐng)域和實(shí)際工程問(wèn)題中都得到廣泛的應(yīng)用。
3.2聯(lián)軸器防護(hù)數(shù)值分析理論
在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于許多力學(xué)問(wèn)題和物理問(wèn)題，人們己經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程(常微分方程或偏微分方程)和相應(yīng)的定解條件。但能用解析方法求出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡(jiǎn)單、目‘幾何形狀相當(dāng)規(guī)則的問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，由于方程的某些非線性性質(zhì)，或由十求解區(qū)域的幾何形狀比較復(fù)雜，則不能得到解析的答案。這類問(wèn)題的解決通常有兩種途徑，一是引入簡(jiǎn)化假設(shè)，將方程和幾何邊界簡(jiǎn)化為能夠處理的情況，從而得到問(wèn)題在簡(jiǎn)化狀態(tài)下的解答，但是這種方法只是在聯(lián)軸器的情況下是可行的，因?yàn)檫^(guò)多的簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致誤差很大甚至錯(cuò)誤的解答;二是人們多年來(lái)尋找和發(fā)展起來(lái)的另一種求解途徑和方法一一數(shù)值分析法。近二十多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)值分析方法已成為求解科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的主要工具。已經(jīng)發(fā)展的數(shù)值分析方法可以分為二大類。
一類是聯(lián)軸器差分法。聯(lián)軸器差分法求解思路是:首先將求解域劃分為網(wǎng)格，然后在網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)上用差分方程近似微分方程。當(dāng)采用較多的結(jié)點(diǎn)時(shí)，近似解的精度可以得到改進(jìn)。借助于聯(lián)軸器差分法，能夠求解某些相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。特別是求解建立于空間坐標(biāo)系的流體流動(dòng)問(wèn)題，聯(lián)軸器差分法有自己的優(yōu)勢(shì)。因此在流體力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，它至今仍占支配地位。但用十幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，它的精度將降低，甚至發(fā)生困難。
另一類數(shù)值分析方法，是首先建立和原問(wèn)題基本方程及相應(yīng)定解條件等效的積分提法，然后據(jù)之建立近似解法。如果原問(wèn)題的方程具有某些特定的性質(zhì)，則它的等效積分提法可以歸結(jié)為某個(gè)泛函的變分。相應(yīng)的近似解法實(shí)際上是求解泛函的駐值問(wèn)題。里茲法就屬于這一類近似方法。上述不同方法在不同的領(lǐng)域或類型的問(wèn)題中得到成功的應(yīng)用。但是也只能限十幾何形狀規(guī)則的問(wèn)題。其基本原因是:它們都是在整個(gè)求解區(qū)域上假設(shè)近似函數(shù)。因此，對(duì)十幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題，不可能建立合乎要求的近似函數(shù)。而聯(lián)軸器的出現(xiàn)，是數(shù)值分析方法研究領(lǐng)域內(nèi)重大突破性的進(jìn)展。
聯(lián)軸器防護(hù)法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)處互相聯(lián)結(jié)的子域()所構(gòu)成，其模型給出基本方程的分片(子域)近似解。由于(子域)可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的邊界條件。再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使其已成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計(jì)算方法。
在求解工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題中，有兩種數(shù)值分析方法就是差分法和聯(lián)軸器防護(hù)法。差分法算模型可給出其基本方程的逐點(diǎn)近似(差分網(wǎng)格上的點(diǎn))。但對(duì)十不規(guī)則的幾何形狀和不規(guī)則的特殊邊界條件差分法就難以應(yīng)用了。 3.3聯(lián)軸器防護(hù)軟件的簡(jiǎn)介
本文聯(lián)軸器防護(hù)分析依靠大型通用CAE < Computer Aided Engineering)軟件9.0。聯(lián)軸器防護(hù)程序作為聯(lián)軸器防護(hù)研究的一個(gè)重要組成部分，是隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的。國(guó)際上早在20世紀(jì)50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大功能的聯(lián)軸器防護(hù)分析程序美國(guó)的匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授JohnSwanson博士十1970年創(chuàng)建的公司開(kāi)發(fā)的軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲場(chǎng)和輥合場(chǎng)分析十一體的CAE通用聯(lián)軸器防護(hù)分析軟件，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。該軟件開(kāi)發(fā)初期是為了應(yīng)用于電力工業(yè)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、土木工程、電子、交通運(yùn)輸、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域，能夠滿足各行業(yè)聯(lián)軸器防護(hù)分析的需要，是這些領(lǐng)域進(jìn)行國(guó)際國(guó)內(nèi)分析設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺(tái)。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)(如Windows ， UNIX)中運(yùn)行。文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。30多年來(lái)，公司一直致力十分析設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)，不斷吸取世界最新的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著聯(lián)軸器防護(hù)界的發(fā)展趨勢(shì)。目前的最新版本為9.0本的功能更加強(qiáng)大，使用更加便利。是一個(gè)靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，具有多物理場(chǎng)禍合功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種各樣的禍合計(jì)算，如:熱一一結(jié)構(gòu)禍合、磁一一結(jié)構(gòu)禍合以及電磁一一流體一一熱禍合，該軟件也是世界上第一個(gè)通過(guò)IS09000國(guó)際認(rèn)證的聯(lián)軸器防護(hù)分析軟件，已成為國(guó)際公認(rèn)的工程仿真及校驗(yàn)工具。隨著高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，軟件必將成為實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的聯(lián)軸器防護(hù)分析軟件，主要包括二個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。
(1)前處理模塊:提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造聯(lián)軸器防護(hù)模型。軟件還提供了100種以上的類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
(2)分析計(jì)算模塊:可進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)分析(線性分析、非線性分析和高度非線性分析)在內(nèi)的多種分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。
(3)后處理模塊:包括通用后處理模塊和時(shí)間歷程后處理模塊。通用后處理模塊可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示，這些結(jié)果包括位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。將計(jì)算結(jié)果從結(jié)果文件中讀入到數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以通過(guò)圖形顯示或數(shù)據(jù)列表來(lái)觀察和查詢模型在某一特定時(shí)刻(或某一載荷步、頻率)的計(jì)算結(jié)果，從而對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析。
的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)非線性分析等。
(1)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析:用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜態(tài)分析適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響并不顯著的問(wèn)題。程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，ifu }_可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、大應(yīng)變、大變形及接觸分析。
(2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析:結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)用來(lái)求解結(jié)構(gòu)的固有振型以及隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響?？蛇M(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括:防護(hù)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。
(3)結(jié)構(gòu)非線性分析:結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。程序可求解靜態(tài)和瞬間非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和非線性材料3種。的主要特點(diǎn)是緊跟計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展的最新水平，功能豐富，用戶界面友好，前處理和圖形功能完備，并且使用高效的聯(lián)軸器防護(hù)系統(tǒng)。它擁有豐富的、完善的庫(kù)，材料模型庫(kù)和求解器，能夠解決很多實(shí)際問(wèn)題。歸納其技術(shù)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一:使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。
(2)強(qiáng)大的建模能力:具備二維建模能力，依靠的圖形用戶界面(GUI, Graphical UserInterface)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。
(3)強(qiáng)大的加載求解能力:在中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何載荷都可以直接加載在任意幾何實(shí)體或者聯(lián)軸器防護(hù)實(shí)體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時(shí)間或者坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。同時(shí)提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)要求選擇合適的求解器。
(4)智能網(wǎng)格劃分:具有智能網(wǎng)格劃分功能，可根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成聯(lián)軸器防護(hù)網(wǎng)格。
(5)強(qiáng)大的后處理能力:利用可以獲得任何節(jié)點(diǎn)、的數(shù)據(jù)。
這些數(shù)據(jù)具有列表輸出、圖形顯示、動(dòng)畫(huà)模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式。此外，時(shí)間歷程分析功能還可以對(duì)載荷疊加進(jìn)行分析計(jì)算。
(6)提供與其他程序的接口:提供了與多數(shù)CAD軟件(如Pro/Engineer,
Unigraphics, IDEAS, AutoCAD, SolidWorks等拜I I聯(lián)軸器防護(hù)分析軟件的數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。
(7)良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境:開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用APDL. UIDL和UPFS對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。特別是系統(tǒng)含有的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)，具有參數(shù)、數(shù)學(xué)函數(shù)、宏(子過(guò)程)、判斷分支及循環(huán)等高級(jí)語(yǔ)言要素，是一個(gè)理想的程序流程控制語(yǔ)言，很適合進(jìn)行聯(lián)軸器防護(hù)計(jì)算和高級(jí)的優(yōu)化分析。
3.4聯(lián)軸器防護(hù)的結(jié)構(gòu)分析
是聯(lián)軸器防護(hù)分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，絕大多數(shù)類型都可用于結(jié)構(gòu)分析。聯(lián)軸器防護(hù)法的分析過(guò)程非常程序化，整個(gè)分析過(guò)程均可由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，它的一般過(guò)程是
(1)明確分析對(duì)象和分析目的:聯(lián)軸器防護(hù)分析必須明確分析的對(duì)象和分析目的，必須抓住主要矛屑，以達(dá)到計(jì)算分析目的。一個(gè)分析對(duì)象有多個(gè)分析目的時(shí)，可以分成幾個(gè)計(jì)算進(jìn)行。
(2)確定模型化方案:在建立模型之前，需要依照分析對(duì)象和分析目的，確定建模方案，并對(duì)實(shí)際問(wèn)題做出合理的簡(jiǎn)化，選擇合適的類型，確定大小和數(shù)量，建立幾何和計(jì)算模型。還要對(duì)計(jì)算費(fèi)用(CPU時(shí)間)和計(jì)算結(jié)果的精度進(jìn)行平衡考慮。
(3)確定載荷及邊界條件:載荷及邊界條件的確定是計(jì)算模型的一個(gè)重要部分，是技術(shù)上比較難的工作，可能影響計(jì)算結(jié)果的成敗。必須把握的原則是計(jì)算模型的力和邊界條件要符合分析對(duì)象的工作條，當(dāng)不可能明確時(shí)建議使用實(shí)驗(yàn)、計(jì)算相互結(jié)合的方法加以確定。
(4)選擇合理的求解方法進(jìn)行求解。
CS)結(jié)果處理和分析并撰寫(xiě)分析報(bào)告。進(jìn)行結(jié)構(gòu)聯(lián)軸器防護(hù)分析時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 (1)材料特性的處理:典型的材料特性包括彈性模量、密度和泊松比等。在分析過(guò)程中應(yīng)注意材料特性即特性及其本構(gòu)關(guān)系。
(2)載荷特性的處理:針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)其載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，找到其主要的影響因素，才能得到正確的分析結(jié)果。
(3)邊界條件的處理:根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，引入特定的約束和載荷條件，分析求解。
3.5聯(lián)軸器的聯(lián)軸器防護(hù)分析
3.5.1聯(lián)軸器防護(hù)模型的建立
以CENTA-FH系列CM2600型萬(wàn)向聯(lián)軸器為研究分析對(duì)象。材料屬性:此系列聯(lián)軸器是碳纖維合金鋼，這種復(fù)合材料是一種高彈性、低密度材質(zhì)，聯(lián)接軸的材料屈服極限6S i = 21 SMpa，十字軸取材近似16Mn低合金鋼，屈服極限為6Sa = 345Mpa o工況:取發(fā)電機(jī)在額定功率P=120kW，轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)進(jìn)行分析。首先需要定義工作文件名并設(shè)置分析模塊，然后進(jìn)行必要的定義，包括定義類型和選項(xiàng)、定義實(shí)常數(shù)和材料屬性等。在軟件中定義材料性能參數(shù)如下聯(lián)接軸楊氏彈性模量E1=240GPa，泊松比,u1=0.3 ,密度P1=6.9 x 103棺/m3;十字軸楊氏彈性模量E2=21 OGPa，泊松比,u2=0.3 ,密度 接著就可以建立幾何模型，尺寸參數(shù)參照調(diào)研時(shí)測(cè)繪的相關(guān)資料。
3.5.2加載與計(jì)算
的求解就是解方程。通過(guò)各類求解器，求解由聯(lián)軸器防護(hù)方法建立的聯(lián)立方程組，其結(jié)果是得到節(jié)點(diǎn)的自由度解，并進(jìn)一步得到解。這里選擇求解類型并進(jìn)行求解選項(xiàng)設(shè)定。Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis升pe>New Analysis，在彈出的New Analysis對(duì)話框中選擇Static靜力學(xué)分析。Main
Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas選項(xiàng)對(duì)聯(lián)軸器施加邊界條件，在聯(lián)軸器的一個(gè)十字軸上施加UX, UY,UZ, ROTY, ROTZ方向的約束，即限制除了繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以外的其他五個(gè)自由)變。聯(lián)軸器載荷的確定須根據(jù)其最大受力狀態(tài)下的扭矩。
設(shè)聯(lián)軸器傳遞功率為尸，它應(yīng)等于外力偶Me和相應(yīng)角速度之乘積，即
工程中功率P的常用單位為kW，力偶矩的單位為N"m，轉(zhuǎn)速n的單位
r/min(轉(zhuǎn)/分)。于是得
由平衡條件知，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸中，扭矩和力偶矩是相等的，即T =Me故有
已知應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的聯(lián)軸器其單臺(tái)發(fā)電機(jī)額定功率為120KW o按照功率一定，最低轉(zhuǎn)速時(shí)其扭矩值最大。經(jīng)調(diào)研已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=1 SOOr/min，最危險(xiǎn)工況就按照額定功率下其最小轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)計(jì)算
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes選項(xiàng)，對(duì)聯(lián)軸器加載，在另一個(gè)十字軸側(cè)面施加扭矩1145.8N"mo施加邊界條件和載荷如圖3-5所示。然后選擇Main Menu>Solution>Solve>Current LS開(kāi)始算。 3.5.3后處理
后處理指的是檢查的計(jì)算分析結(jié)果，從某種意義上講，可能是整個(gè)分析過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)后處理，可以讀入原有的數(shù)據(jù)文件和恢復(fù)其他數(shù)據(jù)項(xiàng)，也可以通過(guò)后處理器，以多種方式顯示分析結(jié)果，這有助于用戶查看所加載荷在所建模型上產(chǎn)生的影響。向用戶提供了兩種后處理工具查看計(jì)算結(jié)果，通用后處理器POSTI和時(shí)間歷程后處理器POST2前者用來(lái)查看模型在某一特定時(shí)刻(或某一載荷步、頻率)的結(jié)果，如輪廓線顯示、變形形狀，以及分析結(jié)果的列表。POSTI還提供了其它的功能，如誤差估計(jì)、載荷工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)的計(jì)算和路徑操作。后者則是用來(lái)查看模型的指定點(diǎn)的特定結(jié)果相對(duì)于時(shí)間、頻率或其它結(jié)果項(xiàng)的變化口其功能包括簡(jiǎn)單的Ix}形顯示和列表，微分和響應(yīng)頻譜生成的復(fù)雜操作.但其最典型的用途是在瞬態(tài)分析中以圖形表示產(chǎn)生的結(jié)果項(xiàng)與時(shí)間的關(guān)系或在非線性分析中以圖表表示作用力與變形的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果以圖形方式顯示是一種十分有效的表示方法，更為直觀形象。從圖形上，用戶可以非常迅速地了解到所觀察的結(jié)果數(shù)據(jù)在整個(gè)模型上的分布變化。如梯度線圖和結(jié)構(gòu)變形圖就可以分別顯示計(jì)算結(jié)果的變化情況和結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形情況。列表顯示可以詳細(xì)給出所要分析數(shù)據(jù)項(xiàng)的具體數(shù)值，是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確表示方式。所有節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)、解數(shù)據(jù)、反作用力數(shù)據(jù)、表數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)均可列表顯示。時(shí)間歷程后處理模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，可以了解模型中特定點(diǎn)計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間(荷載步)變化情況，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。將節(jié)點(diǎn)自由度解、解、反作用力解、間隙力數(shù)據(jù)和求解數(shù)據(jù)定義成變量，還可以得到時(shí)間歷程曲線或數(shù)據(jù)列表。
3. 5. 4十字軸聯(lián)軸器防護(hù)分析
十字軸是萬(wàn)向聯(lián)軸器的主要承載零件，在工作時(shí)傳遞扭矩。聯(lián)軸器有時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，造成重大的設(shè)備事故。因?yàn)樵趯?shí)際工程中，十字軸承載較大，在結(jié)構(gòu)上存在著應(yīng)力集中的因素，而軸頭的尺寸又受到限制，容易損壞，因此需要校核十字軸的強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)滑塊式萬(wàn)向聯(lián)軸器的扁頭進(jìn)行了二維聯(lián)軸器防護(hù)應(yīng)力分析，而對(duì)十字萬(wàn)向聯(lián)軸器的十字軸二維聯(lián)軸器防護(hù)應(yīng)力場(chǎng)研究較少。事實(shí)上十字軸的受力狀態(tài)復(fù)雜，研究十字軸在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)處理和分析生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。
十字型萬(wàn)向聯(lián)軸器在傳遞力矩過(guò)程中，十字軸承受彎矩，受力狀態(tài)復(fù)雜。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來(lái)的十字軸的磨損情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)十字軸沿軸線方向磨痕均勻，軸的受力面的接觸圓弧角約900，且靠近圓弧頂部的磨痕最深，朝兩端方向上磨痕逐漸減小。因此，十字軸的受力可簡(jiǎn)化為圖3-9，十字軸所受外力為分布載荷，沿軸向方向均勻分布，十字軸式萬(wàn)向聯(lián)接軸的主動(dòng)軸及被動(dòng)軸均通過(guò)其上的軸承座經(jīng)軸承向十字軸施加兩對(duì)力，它們構(gòu)成一對(duì)大小相等、方向相反的力偶，軸截面的分布載荷沿接觸圓弧從兩側(cè)向中心呈線性遞增。在對(duì)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器的進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析以及強(qiáng)度校核中使用了聯(lián)軸器單元分析法和聯(lián)軸器元分析軟件。在聯(lián)軸器分析的基礎(chǔ)之上，選擇Select}Entities選項(xiàng)，選中十字軸實(shí)體，機(jī)端相聯(lián)接的為橫軸，沿z方向。
第四章聯(lián)軸器的防護(hù)仿真分析
4.1防護(hù)分析理論
實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境中都受到動(dòng)載的作用，為確保其良好的動(dòng)態(tài)性能，必須對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)載工況、對(duì)結(jié)構(gòu)提出的功能要求以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按照結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的分析方法和實(shí)驗(yàn)方法反復(fù)進(jìn)行分析和計(jì)算。結(jié)構(gòu)防護(hù)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心，其目的是求解聯(lián)軸器的振動(dòng)特性，振動(dòng)故障診斷與預(yù)報(bào)以及為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 防護(hù)是指線性振動(dòng)系統(tǒng)按自身某一階固有頻率作自由諧振時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將具有確定的振動(dòng)形態(tài)(簡(jiǎn)稱振型)，描述這種振動(dòng)形態(tài)的向量稱為防護(hù)向量。防護(hù)向量的一個(gè)重要特性是“加權(quán)正交性”。防護(hù)分析就是利用系統(tǒng)固有防護(hù)的正交性，以系統(tǒng)的各階防護(hù)向量組成的防護(hù)矩陣作為變換矩陣，對(duì)選取的物理坐標(biāo)進(jìn)行線性變換，使得振動(dòng)系統(tǒng)由物理參數(shù)和物理坐標(biāo)描述的、互相禍合的運(yùn)動(dòng)方程組，能夠變?yōu)橐唤M用防護(hù)參數(shù)和防護(hù)坐標(biāo)描述的彼此獨(dú)立的方程組，從而便于求解。通過(guò)這種線性變換，系統(tǒng)在原有物理坐標(biāo)系中，對(duì)于任意激勵(lì)的響應(yīng)，便可視為系統(tǒng)各階防護(hù)的線性組合，故防護(hù)分析又稱防護(hù)疊加。而各階防護(hù)在疊加中所占比重或加權(quán)系數(shù)則取決于各階的防護(hù)坐標(biāo)響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，高階防護(hù)比低階防護(hù)的加權(quán)系數(shù)要小得多，通常只需選取前幾階防護(hù)進(jìn)行疊加，即可達(dá)到足夠的精度。通常在聯(lián)軸器上存在種主要的振動(dòng)型式:軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)軸向振動(dòng)是指聯(lián)軸器在振動(dòng)過(guò)程中的伸長(zhǎng)和縮短，軸向振動(dòng)的自然頻率一般很高(>3 OOOHz)，因而在傳動(dòng)設(shè)計(jì)中一般很少考慮；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，它的自然頻率范圍很大，在實(shí)際操作中很常見(jiàn)，危害很大；彎曲振動(dòng)是軸的橫向擺動(dòng)，它也是一種有害的振動(dòng)形式，它的自然頻率較低。在聯(lián)軸器設(shè)計(jì)校核中必須詳細(xì)考察其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與橫向振動(dòng)。十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器由于結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)研究較為困難。對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)研究的方法很多，但傳統(tǒng)方法是將傳動(dòng)軸分離出來(lái)，簡(jiǎn)化后通過(guò)受力分析，建立微分方程而求得振動(dòng)解，這種分析結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。尤其對(duì)于整個(gè)十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器傳動(dòng)系統(tǒng)，或多支點(diǎn)多十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器串聯(lián)系統(tǒng)，用這種方式求解十分困難。這時(shí)可用適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算的傳遞矩陣法進(jìn)行系統(tǒng)的振動(dòng)分析。在分析時(shí)，必須同時(shí)考慮了兩個(gè)方向的橫向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，討論并建立了包括不連續(xù)點(diǎn)在內(nèi)的系統(tǒng)的傳遞矩陣和傳遞關(guān)系，并用實(shí)例求出了系統(tǒng)的各階固有頻率和主振型，為十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器系統(tǒng)的動(dòng)力性能分析提供了理論依據(jù)。為減少系統(tǒng)的振動(dòng)程度，設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)盡量減小傳動(dòng)角和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量外，更應(yīng)盡量使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度遠(yuǎn)離每個(gè)固有頻率，即處十左、右固有頻率中間。
4.2聯(lián)軸器軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程
聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，如圖4-1所示。除了理想彈性體的假設(shè)外，還假設(shè)軸作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，可忽略截面的翹曲。設(shè)軸的質(zhì)量密度為P}截面的抗扭剛度為(3It Cx (3為切變模量，It Cx}為截面抗扭常數(shù)，當(dāng)軸受到扭矩的激勵(lì)I(lǐng)fu產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，在坐標(biāo)為x的截面角位移為e= e}x, t}，在坐標(biāo)為x+ dx日8截面的角位移為8+-dx
式中，O(x)表示軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振型函數(shù)，它僅是x的函數(shù)，與時(shí)間t無(wú)關(guān)，相當(dāng)于多自由度離散系統(tǒng)的主振型。離散系統(tǒng)的主振型，是以各質(zhì)點(diǎn)之間的振幅來(lái)表示的，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)趨于無(wú)限多時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)振幅就成為x的連續(xù)函數(shù)，即為連續(xù)系統(tǒng)中的振型函數(shù)。ifu T(t)表示軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振動(dòng)方式，僅為時(shí)間t的函數(shù)。式(4-4)分別對(duì)x和t求偏導(dǎo)，得
將(4-5)代入式(4-3)并分離變量，得
式(4-6)左邊與t無(wú)關(guān)，右邊與x式(4-6)才能成立。設(shè)此常數(shù)為一。產(chǎn)無(wú)關(guān)，則兩邊必須都等十同一個(gè)常數(shù)，則式(4-6)可改寫(xiě)為兩個(gè)二階常微分
式(4-6)中只有把常數(shù)設(shè)為負(fù)值，才可能得到滿足兩端邊界條件的非零值，同時(shí)得到和單自由度系統(tǒng)形式相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程。顯然，。1。即為系統(tǒng)的固有頻率從方程(4-7)中解出T(t)為
從方程(4-8)解出
式中，為四個(gè)待定常數(shù)，由軸的兩端邊界條件和扭振時(shí)的兩
個(gè)初始條件決定。
4.3聯(lián)軸器固有頻率與主振型
利用軸兩端邊界條件，可以解出固有頻率。。和一個(gè)常數(shù)A或B，從而可求得各階主振型和主振動(dòng)
其求解步驟為:
(1)將軸的兩端邊界條件代入式(4-y，及其對(duì)X的一階導(dǎo)數(shù)式，建立包含兩個(gè)待定常數(shù)的方程組;
(2)令包含待定常數(shù)的方程組的系數(shù)行列式等于零，得頻率方程;
(3)角牟頻率方程，得各階固有頻率;
(4)將各階固有頻率代回式(4-12)、式(4-13)，即可求出在給定邊界條件下的各階主振型和主振動(dòng)。根據(jù)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特性可知，其兩端通過(guò)十字軸與外部聯(lián)接，其邊界條件為
兩端固定，即:
將式(4-14)代入式(4-m)，得
式(4-15)要有非零的振動(dòng)解，則必有
求解頻率方程(4-16)，即可求得各階固有頻率為
將式(4-17)的各階固有頻率
主振動(dòng)及各階主振型為代回方程(4-12)及式(4-13)，即可求得其各階
4.5回轉(zhuǎn)體臨界轉(zhuǎn)速
回轉(zhuǎn)體的臨界轉(zhuǎn)速是指某些特定的轉(zhuǎn)速，當(dāng)回轉(zhuǎn)體在這些轉(zhuǎn)速或其附近運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，本身將出現(xiàn)很大變形并作弓狀回旋，引起支承及整個(gè)機(jī)械的劇烈振動(dòng)，甚至造成回轉(zhuǎn)體的破壞，而當(dāng)轉(zhuǎn)速在這些特定轉(zhuǎn)速的一定范圍之外時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)即趨于平衡，這些引起劇烈振動(dòng)的特定轉(zhuǎn)速稱為回轉(zhuǎn)體的臨界轉(zhuǎn)速n，任何回轉(zhuǎn)體都不能在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，否則將造成很大的撓度，發(fā)生劇烈的振動(dòng)，甚至造成軸承和回轉(zhuǎn)體的破壞。為確保機(jī)器安全運(yùn)行，回轉(zhuǎn)軸系的工作轉(zhuǎn)速n必須在其各階臨界轉(zhuǎn)速一定范圍以外。一般要求對(duì)于工作轉(zhuǎn)速低十其一階臨界轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)軸系 研究臨界轉(zhuǎn)速的目的，是準(zhǔn)確地計(jì)算出所研究的軸系各階臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值，從而使軸系的工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)它的任何一階臨界轉(zhuǎn)速，以防止發(fā)生這類特殊的共振危害。如果軸系的工作轉(zhuǎn)速不能任意變動(dòng)，則需采用改變軸系尺寸、結(jié)構(gòu)等方法來(lái)改變臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)值，務(wù)使軸系新的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離其工作轉(zhuǎn)速。因而必須研究臨界轉(zhuǎn)速的求取和影響臨界轉(zhuǎn)速的因素。十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的輸入軸以等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸的轉(zhuǎn)速和承受的扭矩均作微小的周期性變化，因此系統(tǒng)將有扭振產(chǎn)生。同時(shí)作用十輸入軸的附加彎矩和作用十輸出軸的周期性軸向力也將分別產(chǎn)生系統(tǒng)的橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)。本文分析振動(dòng)情況的目的是求出系統(tǒng)的固有頻率，避免傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生共振，同時(shí)為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性并采取有利改進(jìn)措施。
結(jié) 論
風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中，由十風(fēng)速的不穩(wěn)定性，聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速不能夠保證始終在某一固定速度下工作，這就產(chǎn)生了兩個(gè)問(wèn)題:聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度破壞和共振。當(dāng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，要保證發(fā)電功率，則聯(lián)軸器所傳遞的扭矩必然增大，這樣就容易造成聯(lián)軸器的靜強(qiáng)度破壞;當(dāng)工作轉(zhuǎn)速較高時(shí)，聯(lián)軸器所傳遞扭矩較小，但由于高轉(zhuǎn)速的原因，容易使得聯(lián)軸器發(fā)生共振。如何通過(guò)理論分析有效的計(jì)算出聯(lián)軸器的前若干階臨界轉(zhuǎn)速，從而選擇出若干種最佳工作轉(zhuǎn)速，使得聯(lián)軸器的靜強(qiáng)度破壞和共振問(wèn)題都得到有效遏制，是本論文分析的重點(diǎn)。
本文在分析中以聯(lián)軸器為基本思想，以大型聯(lián)軸器軟件為工具。針對(duì)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器在工作中出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面的分析。通過(guò)理論分析，得出了聯(lián)軸器工作時(shí)的最大應(yīng)力分布，并求解出了其階固有振型，計(jì)算出其前階臨界轉(zhuǎn)速，為工作實(shí)踐提供了理論參考。