蛇簧联轴器模态分析和设计改进

 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础。 

　　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性，并可得出蛇簧联轴器在运转中发生共振的条件。 
　　ANSYS Workbench Environment（AWE）作为新一代的仿真环境，提供了许多优秀的系统解决方案。在在AWE里，模态分析流程一般如图2所示： 
　　2.1 联轴器有限元模型建立 
　　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YA100×127/YA100×127三维实体模型，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，将其导入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/m3；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7850kg/m3。 
　　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。一般情况下，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小。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。 
　　2.3 施加约束 
　　3 结论 
　　本文针对煤矿发电输送皮带机上使用的蛇簧联轴器发生振动的现象，对其进行了振动分析。一方面，从理论数学模型出发，给出了通过改善联轴器振动性能的措施；另一方面，利用有限元分析，在ANSYS Workbench里对其进行了模态分析，计算出前4阶的固有频率以及最大位移量，并进行了各阶振型的深入分析。 
　　在以上分析的基础上，给出以下两个建议：①在联轴器的设计阶段，蛇簧截面的厚度和高度比即h/b应该增加，但是随着转矩变大，这个比值要变小。②要使联轴器的工作转速避开临界转速一定范围，一方面可以更改蛇簧联轴器的型号，选择径向尺寸大 点的联轴器；另一方面，通过变速箱来控制蛇簧联轴器转速在1916r/min以内，同时在材料上可以选择弹性模量大点的材料。这些都有利于改善联轴器的振动。