具有冗余功能的高速膜盤聯軸器總體方案

考慮到材料的輕質、強度重量比是影響膜盤性能的關鍵因素，因此本文初步選擇密度較小、強重比高的Ti-1023作為膜盤聯軸器的主要材料。

聯軸器作為一個連接輸入、輸出軸的傳動部件，其在傳扭時，如果輸入軸和輸出軸偏斜、不對中，或者轉軸受到瞬時沖擊時，若柔性較小，會給兩端的軸承支撐帶來附加載荷，從而使轉軸兩端的軸承很容易失效，使用壽命降低。而膜盤聯軸器在受到這些外載荷時，由于膜盤可以在高速狀態下有較大的形變，通過自身的形變來抵消外載荷所帶來的扭矩，從而給兩端的軸承支撐帶來的附加載荷很小，沖擊也會小很多，從而延長軸承的使用壽命。。

因此，膜盤是整個聯軸器中關鍵的部件，其設計的好壞是有兩個因素決定的：一個是其要能夠承受足夠大的載荷，另一個是膜盤的柔性要很好[。對于提升承載能力而言，可以將膜盤的余量設計的較大，體現在結構上就是增加膜盤的厚度。然而，這樣做一方面無疑會增加膜盤的剛性，由此給轉軸兩端軸承帶來較大的附加載荷，另一方面，會增加膜盤聯軸器總體的重量，從而影響膜盤聯軸器整體的動態特性。因此，膜盤在設計時，在承載能力的制約條件下，需得出其柔性和重量的匹配，故應該綜合考慮承載和柔性這兩個矛盾因素，選擇的折中方案。

冗余結構的設計原則

除了對關鍵件膜盤進行合理設計，另一個需要考慮是就是聯軸器的穩定性 膜盤聯軸器的應用場合，由于其一般用于航空設備及高精機械傳動設備中，故需考慮如何在高速下設備及人員問題。如果聯軸器在工作中，膜盤突然破裂，由于高速狀態下離心力非常大，其飛濺的碎片會直接損壞周圍的設備，造成很大的損失，在航空設備中，如果起聯接作用的聯軸器失效，會導致整個傳動系統的失效，對人員會造成很大的威脅。因此，在設計膜盤聯軸器時，即使在工作中膜盤破損，也應該對其他設備進行保護，并為整個聯軸器留出運轉時間。具有失效模式復雜、應力難以準確預計、早期排除失效困難等特點，故對其進行預防有很大困難。冗余技術通俗的來講就是增加多余的設備。冗余設計是容錯設計的一種，關于容錯設計與冗余設計，有許多不同的說法。容錯被定義為：系統或程序在出現特定的故障情況下，能繼續正確運行的能力；冗余是指用多于一種的途徑來完成一個規定功能。因此容錯反映了產品或系統在發生故障情況下的工作能力，而冗余是指產品通過多種途徑完成規定功能的方法和手段。從原理上講，冗余作為容錯設計的重要手段，其實施流程和原則也同樣適用于其他容錯設計活動。本文在設計時為膜盤聯軸器增加了冗余結構，其作用主要有兩個方面，一是防止膜盤破損時的飛濺造成對周圍設備的損壞，二是當膜盤破損后暫時代替膜盤進行扭矩傳遞，為停止設備留出運轉時間，。冗余結構的設計也有相關的原則，首先，由于這里的冗余采用的是非工作冗余，即在膜盤正常工作時，冗余結構是不工作的，為了其在膜盤正常工作時不會產生干涉，花鍵的間隙合理設置；其次，當膜盤失效后，冗余結構應有足夠的強度能夠短時間內接替膜盤傳遞扭矩，為設備停止留出運轉時間；此外，由于膜盤聯軸器常用在航空等，增加冗余結構勢必會增加聯軸器的重量，因此為了不過多的影響聯軸器整體的動態性能，增設的冗余結構的重量要盡可能的輕。

2膜盤與相鄰件之間的連接

膜盤不僅在功能上是聯軸器的核心原件，從整體結構上看，因為其它所有的部件都與膜盤有直接的連接關系，其中包括膜盤與中間軸之間的連接、膜盤與護板之間的連接、膜盤與法蘭之間的連接等。在膜盤與中間軸連接時，傳統膜盤聯軸器一般采用螺栓、鍵或過盈配合來連接，本文在設計膜盤時為了加工方便同時減小可能出現的附加應力，采用真空電子束焊接的方式將兩者焊在一起，這樣也可以為膜盤聯軸器的整體結構減輕質量。電子束焊(EBW)具有冗余功能的高速膜盤聯軸器總體方案一般是指在真空環境下，利用會聚的高速電子流轟擊工件接縫，將電子動能轉變為熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法[]。其原理是利用電子槍中陰極所產生的電子在陰陽極間的高壓(2～300kV)加速電場作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3～0.倍光速)，經磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當其撞擊在工件接縫處時，其動能轉換為熱能，使材料熔化而達到焊接的目的。其之所以能一次焊透數百毫米，是因為焊接過程中一部分材料蒸發，其氣流反作用力將熔融的底面金屬液體向四周排開，露出新的底面，電子束繼續作用，過程連續不斷進行，形成一條深而窄的焊縫。當用電子束焊時，一般是軸向焊，其配合應符合GB101-中H/P，或用徑向焊，焊后應即時除應力，并進行超聲（或X光）和著色檢查。本文采用軸向焊接方法對膜盤和中間軸進行電子束焊接，焊后仍端面跳動要求，以防焊接偏斜和變形。

本章主要對具有冗余功能的膜盤聯軸器總體方案進行了闡述。首先，對比傳統膜盤聯軸器的工作原理，分析了具有冗余功能的膜盤聯軸器的工作原理；其次，根據膜盤聯軸器工作狀態下的設計要求，對其總體方案進行設計，為了輕質且性能優良的膜盤聯軸器，初步選用了密度較小、強度重量比高的Ti-10V-2Fe-3Al材料；隨后提出了對關鍵件膜盤進行設計時的基本原則，指出膜盤在設計時，應該綜合考慮承載和柔性這兩個矛盾因素，在承載能力的制約條件下，得出其柔性和重量的方案；為膜盤聯軸器增加了冗余結構，并對該結構設計時的基本原則進行闡述，提出其設計時既不能對膜盤產生干涉，又可以在膜盤斷裂后進行傳扭，同時要其質量要足夠輕；然后對膜盤與相鄰件之間的連接進行了設計，膜盤與中間軸之間采用電子束焊接方式進行軸向焊接，而膜盤、護板和法蘭之間通過螺栓連接在一起，得出具有冗余功能的膜盤聯軸器的整體結構。