专利名称：变刚度波纹管联轴器的制作方法
技术领域：
本发明旨在解决机组多转子耦联动平衡及转子系统稳定性控制问题。
背景技术：
旋转机械被广泛的应用于包括燃气轮机，航空发动机，及各种电动机等机械装置中，在电力，航空，化工，纺织等国民经济中起着非常重要的作用。一般情况下，影响机组振动有下述几个方面的原因。1)轴系的不平衡，转子不平衡量的大小与振动的峰值成正比，减少不平衡量可明显的降低振动的峰值，尽可能提高转子动平衡精度是减少转子振动的有效措施。但是，现在大型机组普遍采用多级串联运行方式，如石化行业用的压缩机、蒸汽透平机、燃气轮机和电机串联的四机组，即使各个转子经严格的动平衡，且安装对中良好，但运转起来可能发生强烈的振动，这是制造厂和用户常见的技术难题。理论分析认为，这是由于对中时忽略了各转子残余不平衡的耦联所致。如果能深入地研究各个转子残余不平衡的相位以及它们的藕联关系，并且能够在机组运行过程中动态的调节相位。来降低甚至完全消除不平衡，可望取代现在国内外普遍采用的整机全速动平衡法消除这种转子轴系不平衡而确保机组一次启动成功。2)对中问题，在机组运行过程中也会出现对中不良造成的轴系的振动。国内外传统的方法必须停机检修，重新找对中。探讨能在机组运行中及时自行消除这种振动的“自愈系统”，开发出一种新的“自主调控技术”是机械工程学科的一个重要课题。它对转子动力学理论的研究有重要价值，对于解决重大工程技术关键和提高企业经济效益也同样具有重要的意义。3)联轴器的补偿能力差，一些经常变换工况的机组，其联轴器应有较好的补偿能力。例如，机组在个别负荷或者部分负荷下产生很大的振动，但在其他负荷下运行却很平稳，这是因为机组在不同工况下运行时，轴与轴之间的偏移量有所不同，然而对中时不可能完全兼顾各工况下运行时都能做到轴系是一条光滑的曲线，偏差部分只能用联轴器来补偿，因此对于变工况频繁的机组，联轴器的补偿作用十分重要。
基于上述的工程实际，设计出本变刚度波纹管联轴器，使得同时解决上述问题成为可能。根据弹性动力学中的铁木辛柯(Timoshenko)梁理论，梁的弹性模量影响其内波的传播。如果能够动态的调节轴系的刚度，就可以动态的调节转子系统中波的相位，使得各振动相互削弱，这样就可以削弱甚至完全消除上述的转子的残余不平衡量引起的转子系统的不平衡。
磁流变液是在外加磁场的作用下流变特性发生急剧变化的材料。其基本特征是在强磁场的作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体，体现出可控粘度、塑性和粘弹性和屈服强度等特性，而且这种变化是可逆的。1948年Rabinow最早发明了磁流变液及应用装置(离合器)。国际上电流变液和磁流变液研讨会的召开，促进了磁流变液的研究与开发，各主要工业发达国家在竞相发展这一技术。美国TRW公司的Shtarkman在1991年，就研制了磁流变液旋转式吸振器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。美国Lord公司的Carlson和Weiss等人自1993年以来在磁流变液及其应用研究方面取得了突出成就，Lord公司已有许多种商品化产品面市。美国Notre Dame大学的Dyke和Spencer等人将磁流变阻尼器用于大型结构地震响应的控制也是非常有趣的磁流变液的应用之一。美国福特汽车公司的Ginder等人对磁流变液屈服应力的有限元分析及性能的提高进行了研究。美国通用汽车公司Foister和Gophalswamy等人研制了磁流变液及磁流变离合器。美国加州州立大学的Zhu和Liu等人对磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了较多的研究。白俄罗斯传热传质研究所Kordonski等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展。我国对磁流变液的研究起步较晚，自1996年之后才有相关的文献发表。中国科学技术大学对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究；金韵研制了两套磁流变液屈服应力测试系统，复旦大学潘胜等人研制了磁流变液及测量仪器。国内研究磁流变液的单位还有电子科技大学、哈尔滨建筑大学、西北工业大学、重庆大学、上海交通大学、中国科学院光机研究所等。总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面与国外尚有一定的差距，应用产品尚属空白。
波纹管作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件、已经有100多年的历史，在第二次世界大战中开始得到广泛的应用，主要作为仪器、仪表的弹性敏感元件以及连接、吸振、密封、补偿、和介质隔离的功能元件。在设备中采用的波纹管有许多种结构形式，就波的形状而言，以U型波纹管的应用最为广泛，其次有Ω型、C型、矩型等。为改善波纹管的工作性能，提高它的承载能力，以后又出现了多层的和带加强圈的波纹管。由于工作可靠、结构紧凑等特点，现已广泛应用于各个工业部门，作为管道和设备的热膨胀补偿、隔振、吸收相对位移、活动密封以及仪表弹簧等，并仍在不断扩大其使用领域。此类联轴器的特点是重量轻，体积小，大挠度，良好的位移补偿能力，惯性力小，因而回弹力小等特点，在高速，轻载的旋转机械中得到广泛的应用。更重要的是其内部的空腔使得我们为控制其弯曲和扭转刚度而施加控制元件成为可能。
发明内容
综合以上所属的各种特性，在此，可以将磁流变体充入波纹管联轴器内，这样在外加磁场的情况下。我们可以通过控制电路来控制外加的磁场，从而控制联轴器的刚度，以此来达到控制整个转子系统稳定性的目的。例如，在传递功率一定的情况下，轴系传递的扭矩和转子的转速成反比。由于波纹管联轴器所能承受的扭矩相对较小，这时可以给波纹管联轴器施加强磁场，使得内部的磁流变体固化，来参与扭矩的传递。当转子系统达到工作转速时，需要降低整个轴系的刚度，从而降低转子系统的固有频率，这样利用转子系统回转效应，可以使得转子系统更加稳定。
而且，根据分析认为，经严格动平衡的各个转子振动的迭加，是造成大型机组多转子藕联系统在运转时发生强烈振动的主要原因。在这种情况下如果能够动态的调节各个转子的振动相位，使得他们的振动相互抵消，这样将会带来巨大的经济效益，同时也会有力的推动转子动力学理论的发展。开发这种变刚度波纹管联轴器就可以使得这种设想得以实现。在转子运转的过程中，可以通过改变施加给这种联轴器的磁场的强度，以改变磁流变体的力学性能，从而达到改变这种联轴器的扭转和弯曲刚度的目的。由弹性动力学的理论可知，梁的弯曲刚度影响其内部波的相位，这样就有可能在转子运转的过程中，动态的调节波的相位，从而使各个转子的振动相互削弱甚至抵消。
综上所述，这种变刚度联轴器具有传统的波纹管联轴器的较好的补偿性能，隔振，结构紧凑等特点外，主要是它的刚度可以动态的调节，根据不同转速下，或者不同的振动状态下转子系统达到稳定运行所需要的轴系的刚度来调节联轴器的刚度。这种变刚度稳定性控制方法相对于用电磁轴承和挤压油膜轴承控制转子系统稳定性来说有很多优点。首先，其结构紧凑，简单，适合于对原有的设备的改造。比如，将设备原有的凸缘联轴器或弹性套柱销联轴器等，换成这种变刚度波纹管联轴器，不需要改变转子轴承系统其它部位的结构。然而，对原有的转子系统如果要改装电磁轴承，或者挤压油膜轴承，由于其结构的复杂性，几乎是不可能的。其次是性能，电磁轴承和挤压油膜轴承虽能够对转子稳定性进行控制，但是它不能削弱转子系统的残余不平衡对振动的影响，更不能够对由于联轴器的补偿能力差而造成的转子系统的强烈振动有所作用，而本变刚度波纹管联轴器可同时满足以上要求。
因此，这种变刚度波纹管联轴器的推广使用将会带来非常可观的经济效益。
图1、本变刚度波纹管联轴器示意图，其中1为波纹管，2为磁流变体，3为挡板。
图2、挡板边缘局部放大图。
图3、波纹管曲边部分截面图。
具体实施例方式波纹管是承受扭矩的主要部件，其直边段开有花键键槽，以和所需要连接的轴段连接，这样可以降低波纹管直边段的应力集中和键槽对波纹管的削弱程度。在波纹管内充入磁流变体，这是对波纹管联轴器进行变刚度控制的核心部件。磁流变体可以是磁流变液体、磁流变泡沫材料和磁流变人造橡胶，它们的共同特征是力学性能，如剪切性能、弹性模量随外加磁场的变化而变化。挡板用来限制磁流变体工作空间，为了将挡板固定在波纹管直边段内，将挡板的边缘加工成锯齿形，如图2所示。在组装时，先在波纹管内填入磁流变体，然后再将挡板塞入波纹管直边段，将磁流变体压紧，然后再滚压直边段的外部，使得挡板和波纹管固连，同时达到密封的效果。在传递扭矩的过程中，波纹管要发生变形，为了更好的让磁流变体参与扭矩的传递，在波纹管曲边段装有磁流变体的部位内表面压有花纹，如图3所示，这样在磁流变体固化后，可以更好的和波纹管耦合，共同传递扭矩。对于具体的磁场的施加方式，本专利申请不做要求。
权利要求
1.一种能够通过外加磁场来改变其弯曲和扭转刚度的联轴器，该联轴器由波纹管[1]，磁流变体[2]，和挡板[3]组成，其特点在于在波纹管内填充磁流变体，用来传递扭矩，利用其刚度随外加磁场的变化而变化的特点，对转子的稳定性进行动态的控制。
2.权利要求1中所述的磁流变体[2]是指磁流变流体，磁流变泡沫材料和磁流变人造橡胶；磁流变流体是一种液体，其特征在于它的流动和剪切性能可以通过外加的磁场来控制，从而改变其传递扭矩的能力或进行振动的控制；磁流变泡沫材料是以泡沫材料为吸收基体，其内部吸附着磁流变流体，以此来节省磁流变流体的用量，其特征同磁流变流体；磁流变人造橡胶是一种橡皮状的固体，其特征在于可以通过外加的磁场来控制其弹性模量，从而达到振动控制的目的。
3.权利要求1中的挡板[3]用来限制磁流变体的工作空间，其基本特征在于其边缘成锯齿状，在联轴器的制造过程中可以滚压波纹管直边段的外部来实现与波纹管的连接，以避免焊接的高温对磁流变体的损伤。
4.权利要求1中的波纹管[1]是主要的扭矩传递部件，其主要特征在于曲边段内侧压有花纹，从而提高磁流变流体和波纹管的耦合程度；在直边段开有花键键槽，以减少应力集中，降低对波纹管的削弱程度，从而提高改变刚度波纹管联轴器的的抗扭能力。
全文摘要
一种能够通过外加磁场来控制器扭转和弯曲刚度的波纹管联轴器。该联轴器利用磁流变体在外加磁场的作用下流变特性发生急剧变化和普通波纹管的大挠度、大的位移补偿性能等特点，可以用来对多转子藕联系统进行稳定性控制，消除多转子系统中由于各个转子的振动迭加造成的强烈振动，同时也可以解决轴系的对中不良和联轴器的补偿能力差造成的强烈振动。这种联轴器具有承载能力大、响应速度快、大挠度、大位移补偿和刚度可控等特性。主要用于高速、轻载转子的稳定性控制和多转子藕联系统的稳定性控制。
文档编号F16D3/80GK1456824SQ03119420
公开日2003年11月19日 申请日期2003年3月12日 优先权日2003年3月12日
发明者王维民 申请人:王维民