煤炭火力发电机组中蛇簧联轴器的模态分析

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煤炭在我国能源消费结构中的比例-直很高，其中煤电在电力装机总量中高达75%，随着煤矿火力发电的发展，蛇形弹簧联轴器被广泛的运用于煤炭火力发电中作为煤矿输送皮带机的连接设备。蛇簧联轴器是由左右半联轴器、蛇形弹簧、防护罩等主要结构组成的-种机械结构，它是依靠几组蛇形弹簧绕在两个半联轴器的齿间产生的周向力来传递运动和转矩的。因此蛇簧联轴器即兼有了刚性联轴器(比如齿轮联轴器)之经济和传递大扭矩特点以及弹性联轴器 (比如弹性活销联轴器)的减震缓冲的优点，同时还具有安全联轴器过载保护的优点以及装拆方便的优点。

但是，由于煤矿输送皮带机的不稳定性，使得该联轴器的工作转速不能够确保始终在某-固定的转速下运行工作，这就会导致-个问题：当工作转速比较高时，蛇形弹簧联轴器所传递扭矩就会减小，但是由于高转速的原因，很容易使得该联轴器发生振动，造成整个结构系统的共振，进而造成系统的疲劳破坏，极大影响了整个煤矿火力发电机组的正常工作。

本文通过运用理论的数值分析方法对联轴器的设计提出改进，并利用有限元分析软件对蛇簧联轴器进行模态分析，确定结构中的振动特性，得出的研究结果为解决蛇簧联轴器的振动现象提供了理论依据，同时模态分析也是结构的动力分析、谐响应分析以及静力试验的基矗1 联轴器的理论振动分析根据振动理论和有限元理论，绝大多数的振动结构均可离散成为有限个自由度的多自由度系统。

引入Alembert D原理，具有有限个自由度的弹性系统，其矩阵形式的振动微分方程为：I蚴 )cA)Kp(t)F( ) p(o)P。， )露式中， 、C和K分别为联轴器有限元模型的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，P、p。及盼 别为系统的位移向量、初始位移向量和激励力向量。

在求解自由振动的固有频率时，阻尼对其的影响不大，故可以忽略。在无外载荷时，即可导出系统的无阻尼 自由振动方程 ：Mzmtt) 0 (2)其对应的特征方程为：K-∞ M)p0( 为固有频率) (3)求解式子(3)即能得到联轴器系统的固有频率和振型。对于-个有m个 自由度的系统，其 自由振动响理论上应该为m个主振动的线性和，每个振动形态就是系统的主振型(模态)，每个振动频率就是系统的主频率(固有频率)。

根据蛇簧联轴器的结构，可将其简化成-个双质量的系统，如图1所示：图1 等效系统图[作者简介]张启东(1987-)，江苏宿迁人，江苏大学机械工程学院在读硕士研究生，主要研究方向是计算机辅助设计(机械设计专业)。

189 第 l8卷2013年第5期煤 矿 开 采Coal mining TechnologyV0Ll82O13No.5图1中，Il和I 均为系统转动惯量，0 和0 是角位移，c和K分别为系统的的阻尼矩阵系数和刚度矩阵系数， 为蛇簧联轴器的计算转矩，联轴器系统刚开始工作时，其初始圆频 。为：(DO (4)上式(4)中， 。是两半联轴器相对转角为0时结构的刚度，-般称为原点刚度。如果 。取的值很小，那么OotE会很小，这就意味着初始角速度在从0缓慢变大时，极易接近∞。，造成蛇簧联轴器在开始工作时就会产生很大的振动，因此在联轴器的设计阶段，就应使得K。稍微大-点。又原点刚度K。

K04EIyrzk。 (5)上式中，E、r、z和 分别表示弹性模量、半联轴器上平均齿高处的半径、半联轴器上的齿数和原点刚度系数，由材料力学知，Iyb/12(b和h为蛇簧截面的厚度和高度)。由式子(5)知，欲使 大-点，则截面的厚度和高度应加大，以增加系统的承载能力，防止联轴器发生初始的冲击振动。在增大h和b的时候，-定要保证它们的比值 不能太大，同时保证这个比值与所传递的转矩 嘁 反比性的关系，不然会造成蛇簧的大扭转变形。如果转矩T变化不太大，可通过适当地增加齿数的方法来减小蛇簧的承载，从而增大了原点刚度 ，以改善联轴器系统的振动性能。

2 蛇簧联轴器的模态分析本次研究对象为煤矿火力发电中输送皮带机上常用的JS9型蛇簧联轴器，对其进行模态分析就是确定联轴器的振动特I生，并可得出蛇簧联轴器在运转中发生共振的条件。

ANSYS Workbench Environment(AWE)作为新- 代的仿真环境，提供了许多优秀的系统解决方案。

在在AWE里，模态分析流程-般如图2所示：190图2 模态分析流程 图2.1 联轴器有限元模型建立表1 JS9型蛇簧联轴器性能参数电动机功率 电机额定转速400 22O0(Kw ) (r/rain)联轴器许用转 联轴器最低工作2440 15O0速 (r试n) 转速 (r/rain)许用轴位移量 (4～2O) 许用角位移量1。 15(mm) ±0.5 (。 )JS9型蛇簧联轴器的性能参数如上表1所示 ，同时为了缩小求解规模并根据联轴器的特点，对几何模型做了必要的简化，主要是去掉模型中较小的倒角、圆角。根据国家标准JB/T8869-2000规定 ，应用PRO/E构建出JS9联轴器YA100127/YA100x127三维实体模型，并完成其装配(以联轴器的轴线方向为z轴)。然后通过PRO/E与ANSYS Workbench的接口，将其导人ANSYS Workbench里，各实体间会自动生成接触对，并选择分析类型为Modal(模态分析)。

2.2 定义材料及网格划分蛇簧半联轴器由Q235钢制成，该材料的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m ；蛇形弹簧的材料是60Si2Mn弹簧钢 ，其弹性模量为205GPa 泊松比为0.29，密度为7850km 。

有限元法的基础是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。-般晴况下，把三维实体划分为四面体或者六面体单元的网格。在网格划分时，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模大校本次采用四面体单元和六面体单元对联轴器进行网格划分，如图3所示，划分后有29747个节点，10742个单元。

图3 联轴器 的网格划分2.3 施加约束在模态分析中，唯-有效的约束和载荷是零位移约束，即在可忽略外部载荷的作用。为了能够准确地反映蛇簧联轴器的实际工作状态，根据蛇簧联轴器在煤炭火力发电机组中的皮带输送机上的实际工作情况，在两个半联轴器左右端面加上x、Y、z方向的位移约束以及x、Y两个方向的旋转约束，使其只能绕z轴进行转动。

第18卷2013年第 5期煤 矿 开 采Coal mining TechnologyV0L182013NOo 5I)体育活动可以改善和提高中枢神经系统的工作能力，能够改善和提高中枢神经系统对内部器官的调节作用，使各器官和各系统更加灵活协调，提高机体的工作能力，使煤矿工人能够更好的进行工作。

体育健身活动能锻炼煤矿工人的四肢，增加其肌肉的力量，使肌肉变得更加丰满，比便能够适应每天高强度的工作。通过体育健身活动能促进煤矿工人机体的生长发育，提高运动系统的机能。能够使骨骼结实，抗压性增强；使肌纤维增粗，肌肉代谢能力加强、血液供应增加，体育健身活动还可以提高神经系统对肌肉的控制能力，保障了工作的效率，及安全性。

2)体育健身活动对于煤矿工人人体的呼吸系统有很大作用，可以促使呼吸肌增强，使胸围、肺活量增大。-般人在安静时每分钟呼吸为12～l8次，而经过训练的运动员为8～12次。煤矿工人在每13高强度的工作中，就能更好地发挥呼吸器官的机能，以保证活动时的能量物质供应。体育活动能促进循环器官机能的提高。煤矿工人进行体育健身活动，可以使心脏机能和血液循环都得到锻炼和促进，使心肌逐渐的增强，心壁增厚，心脏的容积增加，使心脏每搏输出量增加，促使安静时心跳频率减慢。体育健身活动能促进心肺功能，使血液循环加快，新陈代谢加强，心肌发达，收缩力加强。煤矿工人在体育健身活动中，其肌肉活动需要消耗大量的氧气和排出更多的二氧化碳，于是呼吸器官需要加倍工作，久而久之，胸廓活动范围扩大，肺活量提高，肺内每分通气量加大，增强了呼吸器官的功能，这将有利于防止呼吸道常见病有良好的作用，保障煤矿工人的身体降。

3)煤矿工人参与体育健身活动，能够有效预防职业玻煤矿工人进行户外运动，接受13光、空气和水的沐浴，能够逐步经受外界环境变化的刺激，皮肤和呼吸道的粘膜不断受到锻炼，增强了其耐受力，大脑皮层也对冷和热的刺激形成条件反射。当自然因素发生变化时，煤矿工人就能迅速而准确地进行反应，使身体跟外界环境保持平衡，这样就不容易感冒，也不容易中暑。煤矿工人参加户外活动，阳光中的紫外线照射皮肤后，可使皮肤中的7-脱氢胆固醇转变为维生素D，促进人体对钙和磷的吸收，预防和治疗佝偻玻紫外线还可以刺激骨髓，制造红血球，防止贫血，有利于更好的工作。

4)煤矿工人加强体育健身活动有利于企业经济文化的建设。体育健身活动看似不能产生直接经济效益，但是它能够有效的提高生产效率，促进煤矿企业生产力的大力发展，煤矿工人的身体健身将影响着煤矿企业的生产能力，决定着企业的效益。而体育健身活动作为-种企业文化现象，本身就蕴涵着丰富的文化内涵，体育文化有着历史的渊源，古代人们举行的各种祭把礼仪活动往往以体育的方式来表达人们的思想、精神和观念。煤矿企业如果能够使得煤矿工人积极参加体育健身活动，那么就能够传达出- 种积极向上、年轻、充满活力的企业文化出来。

四 结语随着国民经济的快速发展，人们越来越重视体育健身运动，但是对于-些向煤矿企业为了追求经济效益，缺乏对煤矿工人体育健身运动的宣传，致使煤矿工人的体育健身成为全民健身中的-个盲点。

但是体育健身对于煤矿工人有着重要的必要性，对于煤矿工人的身体降起着主要的作用，所以在今后煤矿企业的发展中，必须重视煤矿工人体育健身意识的提高。