某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析
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第５１卷第３期 ２００９年６月
汽轮机技术
７ＩＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．５ｌ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００９
某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析
杜兆刚１，张艳春１，田明泉２
（１清华大学热能系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京１０００８４；
２新疆泽普石油基地塔西南电力工程部，新疆８４４８０４）
ＤＵ Ｚｈａｏ－ｇａｎ９１，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ—ｃｈｕｎｌ，ＴＩＡＮ Ｍｉｎｇ－ｑｕａｎ２
（１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
仅计算３ ０００ｒ／ｍｉｎ的工作转速产生的离心力对模型应力
图７过盈工况等效应力图（过盈量ｏ．４５ｒａｍ） 图６；其位置与过盈工况相同。 ３．３额定工况
额定扭矩下对轮及转轴上最大等效应力显著提高。计 算表明，对轮和转轴上最大等效应力分别比空转工况增加了 约８％、３０％；对轮与转轴的最大等效应力分别位于图８的Ａ、 Ｃ处。Ｃ处是圆锥键顶端与转轴相交处。 ３．４ ＳＳ０１～ＳＳ０４工况
图８额定工况等效应力图（过盈量ｏ．４５ ｍｍ） 工况下的最大应力点位置均与额定工况相同。 ３．５短路工况
这时转子承受的扭矩超出额定工作扭矩的４倍多。如 仅按线性分析，数据表明对轮与转轴上的应力很大。应力集 中区等效应力值增加更剧，高出额定负荷最大等效应力２倍 左右。此工况对轮的最大等效应力转移到图９中Ｄ处，Ｄ处
扭矩／ｔＮ·ｍ）
表２
图５对轮最大等效应力随扭矩的变化关系 典型工况定义
易 锣
／
纱
／／
彳
专‘ ／
彳
蕊 ∥‘
扭矩，州·ｍ）
图６转轴最大等效应力值随扭矩的变化关系
３计算结果及分析
图５、图６给出了各典型工况下对轮和转轴的最大等效
应力值随扭矩的变化曲线。各工况应力计算结果分析如下：
３．１过盈工况
对轮与转轴上的最大等效应力随过盈量增大而提高；当
某电厂６００ＭＷ发电机组前联轴器（或称对轮）采用了
闷 冀 Ｖ’ ｏ
圆
·卜 Ｉｎ
锥
对轮与轴颈过盈装配的连接结构，见图ｌ。图１对轮左端连
暴
ｅｅ
崔
键
接驱动发电机转子的低压汽轮机联轴器，对轮通过螺栓将汽
鲞妾
趟
机和右端的发电机转子连在一起。此外，该电厂为了提高现
宝
有线路的输送能力。在输电线上装配了可控串补系统。机组
大等效应力下降约５％，对轮最大等效应力上升约２．５％，见 ５６％。可见次同步振动对转轴应力增值影响较大。这４种
万方数据
１７４
汽轮机技术
第５１卷
是圆锥键顶端与对轮交界处，因随着扭矩增大，扭矩产生的 应力超过了过盈产生的应力值。而转轴上最大等效应力点 图９Ｃ处位置不变。
此外，因额定工况时对轮上最大等效应力超过了材料屈 服极限（６９０ＭＰａ），在ＳＳ０２工况时超过了材料的强度极限 （８３０ＭＰａ）；在ＳＳＯＩ工况时转轴上最大等效应力超过了材料 的屈服极限（６７０ＭＰａ），在ＳＳ０４工况时超过了材料的强度极 限（７７５ＭＰａ）；故这些工况下超屈服限的计算值仅在后文结 构应力趋势分析上作参考。
１ 弹性接触问题的有限元解法‘１。３］
线呈４５０方向。
为了搞清楚对轮及转轴损坏的原因，根据有限元线弹性 理论厦过盈接触理论，到且查限元结构分析软件ＳＡＭＣＥＦ
以二维问题为例，假定有两个接触体（如图３），分别记 为力。和砬，其接触边界为厂，和厂２。设＿『．和五为接触边界
收稿日期：２００８．１２－０８
作者简介：杜兆刚（１９８５一），男，清华大学热能系硕士研究生，研究方向：动力机械结构强度及转子动力学。
向和切向接触力，Ⅱ。、”。和ｕ：、”：分别表示该处的法向和切向
位移。鄢为接触面之间的初始间隔。
在一定的外载荷作用下，每对接触点都必须处于连续状
态、滑动状态、自由状态３种接触状态之一，并且满足接触的
定解条件和判定条件（或称不等式条件），如表１所示，其中，
，为动摩擦系数。 表１
接触条件
由于某些边界条件不能够预先得到，求解接触问题时须 先假定接触状态，即按照上述接触定解条件建立刚度方程并 求解，结果应满足相应的不等式条件。否则，修改接触状态
摘要：某６００ＭＷ发电机前联轴器与轴过盈连接结构体在运行期间出现了多处裂纹。采用线弹性有限元法，对该结
构体进行了应力计算。计算考虑了多种过盈量和多种载荷，得到了该结构体相应工况下的应力分布，分析了此结
构在运行状态下的受力特点及应力分布规律，探讨了产生裂纹的原因。可为此类联轴器与转轴连接结构的强度设
’
过盈量大于０．４３５ｍｍ时，对轮上的最大等效应力超过了材料
的屈服极限（注：因计算值超过了材料弹性极限，计算数据仅
可作为分析参考，下同。）；在所考察的过盈量范围（０．４０５ｍｍ 一Ｏ．４５ｒａｍ）内，转轴上的最大等效应力均未超材料的屈服极 限；对轮与转轴的最大等效应力比约为１．４倍；对轮最大等效 应力位置在图７中Ａ处。Ａ是键槽与对轮轴端面之间位置， 轴向厚度只有６ｒａｍ，故产生了应力集中。转轴最大等效应力 位置在图７中Ｂ处，这是因加工、装配、尖角所致应力集中。 ３．２空转工况
取发电机工作转速３ ０００ｒ／ｍｉｎ；汽轮机对发电机的驱动 扭矩施加在附加环左侧面。设机组额定工作发出６００ＭＷ功 率时对应的扭矩为基本载荷，记为Ｍ；次同步振荡下的扭矩 值根据振动计算分别取其最大值，见表２，该表给出了每种过 盈值下对应的８种典型计算工况定义。 ２．４网格划分
考虑到计算工况多，整体模型的体积较大，合理划分网 格数量关系到计算效率。在划分网格时，兼顾求解时间与计 算精度。分网时在几何不光滑的结构区域和圆锥键槽周围 应力集中区域加密网格，非关键性承力区域取网格尺寸稍 大；在结构几何对称表面上使网格保持对称，使细、粗网格之 间的过渡尺寸平缓。计算网格以六面体单元为主，附以少量 四面体单元，实际计算中还用等参元做了对比计算。全部结 构划分单元数：约１７万；自由度数：约５６万（图４）。
万方数据
１７２
汽轮机技术
第５１卷
并按照修正后的接触定解条件再次求解，直到所有的接触点 均满足定解条件和不等式条件。因此，利用迭代方法求解出 接触问题的数值解。
２有限元模拟计算
图２裂纹示意图
２．１计算模型 采用三维直角坐标系计算结构应力。原点在联轴器左
端面中心，ｙ轴沿转子轴线方向（图４）。建模时，忽略了对应 力影响甚微的几何元素以利于提高计算网格精度。
计提供参考。
关键词：联轴器；过盈配合；键连接；有限元；等效应力
分类号：ＴＫ２６３．６＋１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－５８８４（２００９）０３４）１７１－０４
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｈａｆｔ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈａｆｔ Ｂｅｆｏｒｅ ａ Ｃｅｒｔａｉｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ；ｋｅｙ ｊｏｉｎｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ
０前言
在高速旋转机械中，轮轴连接结构应用十分广泛，此种
皿黝
结构的主要功能是传递运动和转矩。常见的轮轴连接方式 有键销连接、过盈连接等。
的影响。离心力使对轮与轴颈均向外膨胀，致接触过盈减
随着次同步振荡扭矩（ＳＳＯ）扭矩增加，最大等效应力与
小，转轴上最大等效应力下降，对轮等效应力上升。计算表 ＳＳＯ增加呈线性关系。从额定工况到ＳＳ０４工况，扭矩升高
明：因转轴直径较小，空转与过盈工况相比，离心力使转轴最０．８０３ ２倍，对轮和转轴的最大等效应力分别增加了约２８％、
根据圣维南原理（Ｓａｉｎｔ Ｖｅｎａｎｔ’ｓ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ），为了减少力 边界条件的影响，在计算模型的对轮端附加了一段轴向长度 （图４附加环），另一端截取了较长的发电机轴段，产生裂纹 区域包含在计算模型内。如此建立的计算模型能真实地反 映结构体实际载荷状态。
图３接触问题示惹图
厂。和厂２上的一对接触点，记该处厂ｌ和疋的外法线和切线 分别为玮Ｉ、ｔｌ和ｎ２、ｔ２，而尺。ｌ、尺。，和尺砬、如分别表示该处的法
裂纹发生后，经对材料的检验证实，对轮与转轴裂纹发 生的源点处与计算出的最大等效应力点处位置吻合良好。
除两相短路工况外，对轮上的最大等效应力均高于转轴 上的最大等效应力；但随着扭矩增加，转轴的最大等效应力 增加速率高于对轮的最大等效应力增加速率。这一点可以 从图ｌＯ给出的对轮与转轴最大等效应力值随扭矩的变化关 系对比中得出。图ｌＯ还表明，在（２．８—５．０）×１０６Ｎ·ｍ的 扭矩区间，对轮上的最大等效应力曲线与转轴上的最大等效 应力曲线接近或相交。可见，设计中对轮与转轴的材料选择 须基本一致。
万方数据
万向联轴器
图４计算模型及网格划分 ２．２材料物性
发电机转子材料为３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，联轴器材料为 ２６Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ；圆锥键材料为３５ＣｒＭｏ，弹性模量Ｅ＝２．０９× １０５ＭＰａ，泊松比卢＝０．２８，密度ｐ＝７．８５×１０’ｋｓ／１１１’。 ２．３边界条件
限制附加环与转轴的轴向位移，限制模型原点的全部自 由度，计算程序将对轮与附加环处理为粘结关系。为了探讨 对轮内孔和轴颈之间的过盈值对应力分布影响，取４种设计 过盈量计算（见图５、图６）。圆锥键与对轮、轴接触面的过盈 量取设计值。根据经验，接触面上动摩擦系数取０．２。
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图９短路工况等效应力图（过盈量Ｏ．４５ｍｒａ）
万方数据
万向联轴器
扭矩傅·ｍ） 图１０对轮与转轴最大等效应力变化关系对比
呐 ｅ
岁，
诊断系统的监测数据表明，串联电容器组的加装，使发电机
转轴承受了振荡扭矩，即次同步谐振（ＳＳＯ）载荷。
该机组因运行中振动量过大而停机，经查发现发电机前 对轮及转轴连接结构体附近表面上产生了多处裂纹。其中
图１ 某６００ＭＷ发电机前联轴器结构简图
ＨＥＬＤ，对转轴与对轮连接结构体进行了数值计算。
对轮右端外表面上几处裂纹深且较长，在发电机转轴过盈装 配面右端的薄弱部位也有几处裂纹（图２），方向均与转子轴
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；２ Ｔａｘｉｎａｎ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｚｅｐｕ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８４４８０４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｂｅｆｏｒｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ６００ＭＷ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｈａｖｅ ｈａｄ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｅｖｅｒａｌ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｏａｄｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｐｐｅａｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ａ ｇｏｏｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅ－
http://www.zjhljx.com/
第３期
杜兆刚等：某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析
１７３
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汽轮机技术
７ＩＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．５ｌ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００９
某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析
杜兆刚１，张艳春１，田明泉２
（１清华大学热能系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京１０００８４；
２新疆泽普石油基地塔西南电力工程部，新疆８４４８０４）
ＤＵ Ｚｈａｏ－ｇａｎ９１，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ—ｃｈｕｎｌ，ＴＩＡＮ Ｍｉｎｇ－ｑｕａｎ２
（１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
仅计算３ ０００ｒ／ｍｉｎ的工作转速产生的离心力对模型应力
图７过盈工况等效应力图（过盈量ｏ．４５ｒａｍ） 图６；其位置与过盈工况相同。 ３．３额定工况
额定扭矩下对轮及转轴上最大等效应力显著提高。计 算表明，对轮和转轴上最大等效应力分别比空转工况增加了 约８％、３０％；对轮与转轴的最大等效应力分别位于图８的Ａ、 Ｃ处。Ｃ处是圆锥键顶端与转轴相交处。 ３．４ ＳＳ０１～ＳＳ０４工况
图８额定工况等效应力图（过盈量ｏ．４５ ｍｍ） 工况下的最大应力点位置均与额定工况相同。 ３．５短路工况
这时转子承受的扭矩超出额定工作扭矩的４倍多。如 仅按线性分析，数据表明对轮与转轴上的应力很大。应力集 中区等效应力值增加更剧，高出额定负荷最大等效应力２倍 左右。此工况对轮的最大等效应力转移到图９中Ｄ处，Ｄ处
扭矩／ｔＮ·ｍ）
表２
图５对轮最大等效应力随扭矩的变化关系 典型工况定义
易 锣
／
纱
／／
彳
专‘ ／
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蕊 ∥‘
扭矩，州·ｍ）
图６转轴最大等效应力值随扭矩的变化关系
３计算结果及分析
图５、图６给出了各典型工况下对轮和转轴的最大等效
应力值随扭矩的变化曲线。各工况应力计算结果分析如下：
３．１过盈工况
对轮与转轴上的最大等效应力随过盈量增大而提高；当
某电厂６００ＭＷ发电机组前联轴器（或称对轮）采用了
闷 冀 Ｖ’ ｏ
圆
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锥
对轮与轴颈过盈装配的连接结构，见图ｌ。图１对轮左端连
暴
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接驱动发电机转子的低压汽轮机联轴器，对轮通过螺栓将汽
鲞妾
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机和右端的发电机转子连在一起。此外，该电厂为了提高现
宝
有线路的输送能力。在输电线上装配了可控串补系统。机组
大等效应力下降约５％，对轮最大等效应力上升约２．５％，见 ５６％。可见次同步振动对转轴应力增值影响较大。这４种
万方数据
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第５１卷
是圆锥键顶端与对轮交界处，因随着扭矩增大，扭矩产生的 应力超过了过盈产生的应力值。而转轴上最大等效应力点 图９Ｃ处位置不变。
此外，因额定工况时对轮上最大等效应力超过了材料屈 服极限（６９０ＭＰａ），在ＳＳ０２工况时超过了材料的强度极限 （８３０ＭＰａ）；在ＳＳＯＩ工况时转轴上最大等效应力超过了材料 的屈服极限（６７０ＭＰａ），在ＳＳ０４工况时超过了材料的强度极 限（７７５ＭＰａ）；故这些工况下超屈服限的计算值仅在后文结 构应力趋势分析上作参考。
１ 弹性接触问题的有限元解法‘１。３］
线呈４５０方向。
为了搞清楚对轮及转轴损坏的原因，根据有限元线弹性 理论厦过盈接触理论，到且查限元结构分析软件ＳＡＭＣＥＦ
以二维问题为例，假定有两个接触体（如图３），分别记 为力。和砬，其接触边界为厂，和厂２。设＿『．和五为接触边界
收稿日期：２００８．１２－０８
作者简介：杜兆刚（１９８５一），男，清华大学热能系硕士研究生，研究方向：动力机械结构强度及转子动力学。
向和切向接触力，Ⅱ。、”。和ｕ：、”：分别表示该处的法向和切向
位移。鄢为接触面之间的初始间隔。
在一定的外载荷作用下，每对接触点都必须处于连续状
态、滑动状态、自由状态３种接触状态之一，并且满足接触的
定解条件和判定条件（或称不等式条件），如表１所示，其中，
，为动摩擦系数。 表１
接触条件
由于某些边界条件不能够预先得到，求解接触问题时须 先假定接触状态，即按照上述接触定解条件建立刚度方程并 求解，结果应满足相应的不等式条件。否则，修改接触状态
摘要：某６００ＭＷ发电机前联轴器与轴过盈连接结构体在运行期间出现了多处裂纹。采用线弹性有限元法，对该结
构体进行了应力计算。计算考虑了多种过盈量和多种载荷，得到了该结构体相应工况下的应力分布，分析了此结
构在运行状态下的受力特点及应力分布规律，探讨了产生裂纹的原因。可为此类联轴器与转轴连接结构的强度设
’
过盈量大于０．４３５ｍｍ时，对轮上的最大等效应力超过了材料
的屈服极限（注：因计算值超过了材料弹性极限，计算数据仅
可作为分析参考，下同。）；在所考察的过盈量范围（０．４０５ｍｍ 一Ｏ．４５ｒａｍ）内，转轴上的最大等效应力均未超材料的屈服极 限；对轮与转轴的最大等效应力比约为１．４倍；对轮最大等效 应力位置在图７中Ａ处。Ａ是键槽与对轮轴端面之间位置， 轴向厚度只有６ｒａｍ，故产生了应力集中。转轴最大等效应力 位置在图７中Ｂ处，这是因加工、装配、尖角所致应力集中。 ３．２空转工况
取发电机工作转速３ ０００ｒ／ｍｉｎ；汽轮机对发电机的驱动 扭矩施加在附加环左侧面。设机组额定工作发出６００ＭＷ功 率时对应的扭矩为基本载荷，记为Ｍ；次同步振荡下的扭矩 值根据振动计算分别取其最大值，见表２，该表给出了每种过 盈值下对应的８种典型计算工况定义。 ２．４网格划分
考虑到计算工况多，整体模型的体积较大，合理划分网 格数量关系到计算效率。在划分网格时，兼顾求解时间与计 算精度。分网时在几何不光滑的结构区域和圆锥键槽周围 应力集中区域加密网格，非关键性承力区域取网格尺寸稍 大；在结构几何对称表面上使网格保持对称，使细、粗网格之 间的过渡尺寸平缓。计算网格以六面体单元为主，附以少量 四面体单元，实际计算中还用等参元做了对比计算。全部结 构划分单元数：约１７万；自由度数：约５６万（图４）。
万方数据
１７２
汽轮机技术
第５１卷
并按照修正后的接触定解条件再次求解，直到所有的接触点 均满足定解条件和不等式条件。因此，利用迭代方法求解出 接触问题的数值解。
２有限元模拟计算
图２裂纹示意图
２．１计算模型 采用三维直角坐标系计算结构应力。原点在联轴器左
端面中心，ｙ轴沿转子轴线方向（图４）。建模时，忽略了对应 力影响甚微的几何元素以利于提高计算网格精度。
计提供参考。
关键词：联轴器；过盈配合；键连接；有限元；等效应力
分类号：ＴＫ２６３．６＋１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－５８８４（２００９）０３４）１７１－０４
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓｈａｆｔ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈａｆｔ Ｂｅｆｏｒｅ ａ Ｃｅｒｔａｉｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ；ｋｅｙ ｊｏｉｎｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ
０前言
在高速旋转机械中，轮轴连接结构应用十分广泛，此种
皿黝
结构的主要功能是传递运动和转矩。常见的轮轴连接方式 有键销连接、过盈连接等。
的影响。离心力使对轮与轴颈均向外膨胀，致接触过盈减
随着次同步振荡扭矩（ＳＳＯ）扭矩增加，最大等效应力与
小，转轴上最大等效应力下降，对轮等效应力上升。计算表 ＳＳＯ增加呈线性关系。从额定工况到ＳＳ０４工况，扭矩升高
明：因转轴直径较小，空转与过盈工况相比，离心力使转轴最０．８０３ ２倍，对轮和转轴的最大等效应力分别增加了约２８％、
根据圣维南原理（Ｓａｉｎｔ Ｖｅｎａｎｔ’ｓ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ），为了减少力 边界条件的影响，在计算模型的对轮端附加了一段轴向长度 （图４附加环），另一端截取了较长的发电机轴段，产生裂纹 区域包含在计算模型内。如此建立的计算模型能真实地反 映结构体实际载荷状态。
图３接触问题示惹图
厂。和厂２上的一对接触点，记该处厂ｌ和疋的外法线和切线 分别为玮Ｉ、ｔｌ和ｎ２、ｔ２，而尺。ｌ、尺。，和尺砬、如分别表示该处的法
裂纹发生后，经对材料的检验证实，对轮与转轴裂纹发 生的源点处与计算出的最大等效应力点处位置吻合良好。
除两相短路工况外，对轮上的最大等效应力均高于转轴 上的最大等效应力；但随着扭矩增加，转轴的最大等效应力 增加速率高于对轮的最大等效应力增加速率。这一点可以 从图ｌＯ给出的对轮与转轴最大等效应力值随扭矩的变化关 系对比中得出。图ｌＯ还表明，在（２．８—５．０）×１０６Ｎ·ｍ的 扭矩区间，对轮上的最大等效应力曲线与转轴上的最大等效 应力曲线接近或相交。可见，设计中对轮与转轴的材料选择 须基本一致。
万方数据
万向联轴器
图４计算模型及网格划分 ２．２材料物性
发电机转子材料为３０Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ，联轴器材料为 ２６Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ；圆锥键材料为３５ＣｒＭｏ，弹性模量Ｅ＝２．０９× １０５ＭＰａ，泊松比卢＝０．２８，密度ｐ＝７．８５×１０’ｋｓ／１１１’。 ２．３边界条件
限制附加环与转轴的轴向位移，限制模型原点的全部自 由度，计算程序将对轮与附加环处理为粘结关系。为了探讨 对轮内孔和轴颈之间的过盈值对应力分布影响，取４种设计 过盈量计算（见图５、图６）。圆锥键与对轮、轴接触面的过盈 量取设计值。根据经验，接触面上动摩擦系数取０．２。
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图９短路工况等效应力图（过盈量Ｏ．４５ｍｒａ）
万方数据
万向联轴器
扭矩傅·ｍ） 图１０对轮与转轴最大等效应力变化关系对比
呐 ｅ
岁，
诊断系统的监测数据表明，串联电容器组的加装，使发电机
转轴承受了振荡扭矩，即次同步谐振（ＳＳＯ）载荷。
该机组因运行中振动量过大而停机，经查发现发电机前 对轮及转轴连接结构体附近表面上产生了多处裂纹。其中
图１ 某６００ＭＷ发电机前联轴器结构简图
ＨＥＬＤ，对转轴与对轮连接结构体进行了数值计算。
对轮右端外表面上几处裂纹深且较长，在发电机转轴过盈装 配面右端的薄弱部位也有几处裂纹（图２），方向均与转子轴
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ；２ Ｔａｘｉｎａｎ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｚｅｐｕ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８４４８０４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｂｅｆｏｒｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ６００ＭＷ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｈａｖｅ ｈａｄ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｅｖｅｒａｌ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｏａｄｓ，ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｐｐｅａｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ａ ｇｏｏｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅ－
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第３期
杜兆刚等：某发电机前联轴器与轴连接结构应力的有限元分析
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