联轴器的挑战与进步

联轴器被应用于许多关键之处,也是最具挑战性的螺栓连接之一。随着机器变得更大更强,人们对联轴器的需求愈发殷切。

联轴器诞生于工业化时代之初,甚至更早之前,有些简单的机器比如纺纱机、风车等,就需要把转轴连接起来。自从1884年汽轮机问世后,联轴器便成为发电和航运行业必不可少的部件。而随着涡轮机和货轮越造越大,需要传输的动力和扭矩越来越高。这就对轴和联轴器—就螺栓联轴器而言,还有螺栓本身—提出了更高的要求。

对大型螺栓联轴器有着三十多年经验的工程师Martin Walsh说:「在发电和海运行业,联轴器到处可见,它们其实没有什么变化。看看六、七十年前的联轴器,它的设计和概念跟今天几乎一样。但是,这背后的工程技术就不可同日而语了。尤其是螺栓,它使联轴器变得越来越精良,尺寸很小的联轴器就可以传输较大的扭矩。」

带螺栓的联轴器最重要的功能之一是保持轴对中。在海上应用中,轴通常是低速运转,一旦轴不对中,就会引起振动,给轴承施加不必要的载荷。在发电应用中,转速高达每分钟3,600转,而一丝振动或者不均匀载荷,都会严重影响涡轮机全功率运行的能力。因此,为了优化轴对中,付出大量的时间和资源。

Walsh道:「达到对中后,需要用螺栓固定,从而在运转时保持对中。将来您也许会拧下螺栓,断开轴连接。当您再把它们组装在一起的时候,要做到严丝合缝,一如当初,这样才不会荒废之前为对中所付出的大量精力。」

多年以来,最常见的螺栓连接解决方案是标准的贯穿螺栓,它们相对便宜实用。这种螺栓只需插入螺孔中,另一端用螺母紧固,形成摩擦力连接。但是通过摩擦传输的扭矩却非常有限,而过大的扭矩则会导致工件下降滑移和错位。由此产生的轻微移动和不均匀载荷,会造成螺栓和螺孔的破损。此时就需要重组联轴器及重新进行轴对中。

理论上,由于螺栓横截面的直接剪力可增加扭矩,所以插入螺孔内的配合螺栓能够传递更大的扭矩容量。但实际上,螺栓直径会在紧固过程中缩小,因此螺栓是很难达到真正的配合状态。这就会在螺栓与螺孔之间形成间隙,引起滑移和螺栓失效的问题。

即使联轴器被拆卸和重新组装后,也要建立和保持轴对中;这使膨胀套筒螺栓的使用日益增加。膨胀套筒螺栓可以在螺孔内膨胀,因此保证了真正的螺栓配合,而且载荷分布也要均匀得多。这能消除移动和滑移,而当膨胀套管螺栓被重新装上后,就能自动重新为轴对中。

Nord-Lock全球产品(膨胀螺栓)经理Steve Brown表示:「以精度而论,膨胀套筒螺栓也许称得上是过去三十年来最大的进步。它们有很多优点,如容易安装,配合精确,便于拆卸和重新对中,如果孔的条件合适,它们还可以恢复同轴度及重复使用。」

工程分析是推动螺栓联轴器进步的一个关键因素。Walsh道:「七、八十年前,工程师们都太过谨慎,联轴器和螺栓常被过度设计,大于实际需求。因为当时还不具备精密复杂的计算和模拟能力,所以这种情况存在于许多行业。」

如今,许多原始设备制造商都能利用电脑建模和模拟技术,来测试温度、不同材料和工作条件的影响。由于旋转联轴器的复杂性,有限元法越来越多地用于识别特定安装中的薄弱环节和扭矩容差。剪切试验则被成功地用来论证不同的螺栓连接解决方案的物理局限性。

WALSH续道:「我们希望通过进一步的分析,看看新设计的膨胀套筒螺栓在传输更高的扭矩方面,跟旧款螺栓相比究竟有何不同。全面的有限元分析是一个显着的优势,它能证明减少螺栓数量和缩小联轴器尺寸的潜力,尤其是在风力涡轮机这样的行业,由于空间所限,人们都希望尽量少用螺栓联轴器。」

随着涡轮机和货轮的尺寸及功率越来越大,需要传输的扭矩越来越高,如何设计更智慧、更小巧的联轴器,仍将是未来的重中之重。

C.A. 帕森斯与「透平尼亚」号

1884年,英国工程师查尔斯·阿尔杰农·帕森斯爵士(Sir Charles Algernon Parsons)发明了汽轮机。

尽管第一台模型机的发电量只有7.5千瓦,但它却展现出用于发电和驱动舰船的巨大潜力。1893年,帕森斯船用汽轮机公司(Parsons Marine Steam Turbine Company)宣告成立,为了证明这项新技术的优势,该公司开始建造「透平尼亚」号(Turbinia)试验舰。

这艘新式舰艇装备了三台轴流式涡轮机,连接三个轴,每轴驱动三个螺旋桨。「透平尼亚」号于1894年建成,是当时世界上最快的舰船,最高航速达34节(63公里/时),而英国皇家海军最快的战舰只能达到27节。

1897年,「透平尼亚」号出人意料地参加了维多利亚女王登基六十年庆典的海上阅兵式,在王室和海军高级将领注目下,将其速度与动力的过人之处完美呈现。随后两年,帕森斯的涡轮机被皇家海军采用,很快又装备到往来于大西洋两岸的客轮上。

查尔斯·阿尔杰农·帕森斯爵士的设计,使汽轮机可以迅速扩大规模,生产出廉价而充足的电力。1899年,第一台兆瓦级涡轮机在德国的一座发电厂建成。在帕森斯的一生中,全世界所有的大型发电厂都用上了他的发明。

紧密相连

用螺栓连接来装配组件的需求由来已久。长期以来,双头螺栓都是标准的螺纹紧固件。这种螺栓可穿入螺孔内,两端用螺母紧固,形成摩擦力连接。但过大的扭矩可能会导致滑移和错位,造成螺栓和螺孔的破损。

膨胀套筒螺栓是一种新型发明,能够克服这些问题。它可以在螺孔内膨胀,保证了真正的螺栓配合,而且载荷分布也要均匀得多。它还易于安装和拆除,并且适合改装。

 

膨胀套筒螺栓确保精准的螺栓配合。

 

 

为水力发电涡轮机轴系选择合适的螺栓,可以显著减少应力集中和微动。

 

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