CN112283321B - 一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，涉及转子动力学技术领域；其包括套筒轴、挠性杆、滚动轴承和预载块，套筒轴上设有双斜齿轮，套筒轴开设有中心孔，挠性杆穿过套筒轴中心孔，挠性杆一端与套筒轴过盈装配，使两者连接为一体以传递齿轮传动产生的扭矩，另一端延伸出套筒轴和被驱动设备连接；滚动轴承装配在挠性杆的驱动端与套筒轴之间，在滚动轴承外圈和套筒轴内侧之间具有用于安装预载块的楔形空间，通过实施本技术方案，可有效解决现有柔性结构齿轮转子容易出现轴系共振、轴系失稳和异常振动问题，采用预载块调节滚动轴承的预载荷以增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，从而提高其运行的平稳性。

Description

一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子
技术领域
本发明涉及转子动力学技术领域，具体地讲，涉及一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子。
背景技术
现有大功率电力装备发电机通常采用汽轮机直接驱动，为提高小流量汽轮发电机组的效率，近年来60MW等级以内汽轮机开始采用高转速并通过齿轮箱减速驱动发电机。基于齿轮强度及减速箱传动效率考虑，为吸收发电机发生两相短路、非同期误并列等故障的电磁激励，30MW等级以上齿轮箱低速转子通常采用柔性结构。
本申请发明人在实践中发现，柔性结构齿轮转子通常缺少支承，导致柔性轴支承条件差，容易引起轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其目的在于采用预载块调节滚动轴承的预载荷以增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，改变转子支承结构以提高轴系中齿轮转子的刚性，可有效解决现有柔性结构齿轮转子出现轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，包括
套筒轴，所述套筒轴上设有双斜齿轮，且套筒轴在沿其中心轴方向开设有中心孔；
挠性杆，所述挠性杆沿所述中心孔穿过并与所述套筒轴呈同轴设置，且挠性杆一端与套筒轴过盈装配，使两者连接为一体以传递齿轮传动产生的扭矩，另一端延伸出套筒轴和被驱动设备连接；
滚动轴承，所述滚动轴承装配在所述挠性杆的驱动端与套筒轴之间，以使挠性杆的驱动端通过滚动轴承与套筒轴支承连接；且在所述滚动轴承外圈和套筒轴内侧之间具有楔形空间；
预载块，所述预载块安装在所述楔形空间内，用以调节所述滚动轴承的预载荷。
本技术方案中挠性杆的驱动端是指其与被驱动设备连接的一端，挠性杆的非驱动端是指其远离被驱动设备的一端。
本技术方案针对现有柔性结构齿轮转子容易出现轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题，采用在挠性杆的驱动端与套筒轴之间装配滚动轴承，以使挠性杆的驱动端通过滚动轴承与套筒轴支承连接，相对于现有柔性结构齿轮转子能够有效增加挠性杆支承结构和支承刚性；且在滚动轴承外圈和套筒轴内侧的楔形空间内装配预载块，通过预载块调节滚动轴承的预载荷以增加支承刚度，使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子；滚动轴承组合预载块的设计在挠性杆的驱动端提供了套筒轴对挠性杆的支承结构，保证了挠性杆和套筒轴之间的支承刚度，进而保证了轴系中齿轮转子平稳运行，同时预载块在运行过程中维持套筒轴和挠性杆始终对中，能够进一步保证套筒轴挠性杆刚性齿轮转子运行平稳，避免出现轴系失稳和异常振动问题。
作为上述技术方案的优选，所述套筒轴与内置于其中心孔内的挠性杆之间具有环形间隙A，且环形间隙A为10mm-20mm，环形间隙的尺寸根据挠性杆和套筒轴的装配工艺性和挠性杆及套筒轴的强度而确定。
作为上述技术方案的优选，所述挠性杆的非驱动端与套筒轴过盈装配并通过传扭销或花键传递齿轮传动产生的扭矩；采用上述结构，扭矩传递路径为：扭矩从套筒轴上的齿轮沿着套筒轴非驱动端轴段传递至传扭销或花键，然后经由其内部的挠性杆传递至被驱动设备；同时挠性杆的驱动端与套筒轴之间装配的滚动轴承可以为角接触球等类型的滚动轴承，采用滚动轴承的原因在于滚动轴承的内圈和外圈之间可自由转动隔离了扭矩传递，因而当被驱动设备发生故障时(例如发电机两相短路时)扭矩传递路径为：瞬时扭矩经由挠性杆传递至传扭销或花键，然后经由套筒轴非驱动端轴段传递至齿轮；因滚动轴承隔离了扭矩从挠性杆驱动端传递至套筒轴，因而延长了扭矩传递路径，可最大限度的利用传递路径上的轴段的扭转变形吸收被驱动设备故障时的瞬时扭矩，保护轴系中齿轮的安全。
作为上述技术方案的优选，还包括轴承定位结构，所述轴承定位结构包括设置在挠性杆上的凸肩和沿所述套筒轴驱动端内侧径向开设的限位槽，以使滚动轴承装配在限位槽内并能够通过凸肩对其进行轴向定位；采用上述结构，利用滚动轴承和预载块达到挠性杆的驱动端与套筒轴支承连接的同时，滚动轴承在套筒轴中心孔轴向定位可靠，且便于装配和拆卸。
进一步地，所述轴承定位结构还包括安装在所述挠性杆上的定位环，所述定位环安装在滚动轴承相对于凸肩的另一侧，用于对滚动轴承进行轴向定位；采用上述结构，利用挠性杆上的凸肩和定位环首先将滚动轴承可靠地安装和定位在挠性杆上，然后将挠性杆从驱动端至非驱动端方向装配至套筒轴中心孔内部，套筒轴驱动端的限位槽对挠性杆和滚动轴承的装配起定位作用，最后装配非驱动端的传扭销或花键，使得挠性杆和套筒轴成为一体。
作为上述技术方案的优选，所述预载块的截面呈楔形状，所述楔形空间为整圈开口结构，用于将预载块嵌入所述楔形空间内以调整套筒轴和挠性杆的对中以及滚动轴承的预载；滚动轴承组合预载块的设计在驱动端提供了套筒轴对挠性杆的支承结构，保证了挠性杆和套筒轴之间的支承刚度，进而保证了轴系中齿轮转子平稳运行。
作为上述技术方案的优选，所述挠性杆延伸出所述套筒轴的驱动端端部设有靠背轮，以使转子通过靠背轮和被驱动设备连接；采用上述结构，通过沿套筒轴中心孔延伸的挠性杆变形来吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，从而保护轴系中齿轮的安全。
作为上述技术方案的优选，所述挠性杆的长度与挠性杆的直径之比大于10，挠性杆采用细长轴的设计能够更好地吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，保证轴系中齿轮转子安全运行。
如上所述，本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：
1.本发明套筒轴挠性杆刚性齿轮转子采用在挠性杆的驱动端与套筒轴之间装配滚动轴承，以使挠性杆的驱动端通过滚动轴承与套筒轴支承连接，增加了轴系中挠性杆的支承结构；且在滚动轴承外圈和套筒轴内侧的楔形空间内装配预载块，通过预载块调节滚动轴承的预载荷以增加挠性杆的支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，保证套筒轴挠性杆刚性齿轮转子运行平稳，避免出现轴系失稳和异常振动问题。
2.本发明套筒轴和挠性杆之间装配的滚动轴承不约束挠性杆的扭转变形，因滚动轴承隔离了扭矩从挠性杆驱动端传递至套筒轴，因而延长了扭矩传递路径，可最大限度的利用传递路径上的轴段的扭转变形吸收被驱动设备故障时的瞬时扭矩，保护轴系中齿轮的安全。
3.本发明套筒轴挠性杆刚性齿轮转子配置有轴承定位结构，将滚动轴承装配在限位槽内，利用挠性杆上的凸肩和定位环对滚动轴承进行轴向定位，便于安装的同时实现滚动轴承可拆卸且定位可靠，同时楔形空间组合预载块的设计便于调整套筒轴和挠性杆的对中，同时便于通过预载块调节滚动轴承的预载荷，从而调整挠性杆和套筒轴之间的支承刚度，进而保证轴系中齿轮转子平稳运行。
4.本发明挠性杆延伸出套筒轴的驱动端端部设有靠背轮，用于和被驱动设备连接，能够通过沿套筒轴中心孔延伸的挠性杆变形来吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，从而保护轴系中齿轮的安全；且挠性杆的长度与挠性杆的直径之比大于10，以使能够更好地吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，保证轴系中齿轮转子安全运行。
综上所述，本发明套筒轴挠性杆刚性齿轮转子一方面通过细长的挠性杆的变形可吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩从而保护齿轮的安全，另一方面通过预载块调节滚动轴承的预载荷增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，能够从根本上解决现有柔性结构齿轮转子容易出现轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题。
附图说明
本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中
图1是本发明示例性实施例套筒轴挠性杆刚性齿轮转子的结构示意图。
附图标记说明：1-套筒轴；2-齿轮；3-挠性杆；4-传扭销；5-靠背轮；6-滚动轴承；7-定位环；8-预载块；G-驱动端；T-非驱动端。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例基本如图1所示：本实施例提供了一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，该齿轮转子包括套筒轴1和挠性杆3，其中套筒轴1上加工有双斜齿轮2，且套筒轴1在沿其中心轴方向开设有中心孔；挠性杆3沿中心孔穿过并与套筒轴1呈同轴设置，同时本实施例套筒轴1与内置于其中心孔内的挠性杆3之间具有环形间隙A，且环形间隙A为10mm-20mm，环形间隙的尺寸根据挠性杆和套筒轴的装配工艺性和挠性杆及套筒轴的强度而确定；挠性杆3左端与套筒轴1过盈装配使两者连接为一体，以使套筒轴的扭矩能够传递至挠性杆3，挠性杆3右端延伸出套筒轴1和被驱动设备连接。
本实施例中挠性杆的驱动端是指其与被驱动设备连接的右端(即图中挠性杆G端)，挠性杆的非驱动端是指其远离被驱动设备的左端(即图中挠性杆T端)。
关键地，本实施例提供的齿轮转子还包括有滚动轴承6和预载块8，滚动轴承6装配在挠性杆3驱动端与套筒轴1之间，以使挠性杆3的驱动端通过滚动轴承6与套筒轴1支承连接，相对于现有柔性结构齿轮转子能够有效增加挠性杆支承结构和支承刚性；且在滚动轴承6外圈和套筒轴1内侧之间具有楔形空间，预载块8安装在楔形空间内，用以调节套筒轴和挠性杆的对中以及滚动轴承6的预载荷，通过预载块调节滚动轴承的预载荷以增加转子结构支承刚度，使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子；由此滚动轴承组合预载块的设计在挠性杆的驱动端提供了套筒轴对挠性杆的支承结构，保证了挠性杆和套筒轴之间的支承刚度，进而保证了轴系中齿轮转子平稳运行，同时预载块在运行过程中维持套筒轴和挠性杆始终对中，能够有效避免出现轴系失稳和异常振动问题。
由上所述，本实施例针对现有柔性结构齿轮转子容易出现轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题，采用在挠性杆3的驱动端与套筒轴1之间装配滚动轴承6，以使挠性杆3的驱动端通过滚动轴承6与套筒轴1支承连接，增加了轴系中挠性杆的支承结构和支承刚性；且在滚动轴承6外圈和套筒轴1内侧的楔形空间内装配预载块8，通过预载块8调节滚动轴承6的预载荷以增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子；同时预载块8在运行过程中维持套筒轴1和挠性杆3的对中，以保证套筒轴挠性杆刚性齿轮转子运行平稳，避免出现轴系失稳和异常振动问题。
具体地，挠性杆3左端的非驱动端与套筒轴1过盈装配并通过传扭销4传递齿轮2传动产生的扭矩，以使套筒轴1的扭矩能够通过传扭销4传递至挠性杆3，当然也可以通过花键传递齿轮2传动产生的扭矩，上述传动连接件材料便于获取并能够达到较好的装配稳定性；同时挠性杆3的驱动端与套筒轴1之间装配的滚动轴承6可以为角接触球等类型的滚动轴承6，使用滚动轴承的目的在于隔离扭矩传递，并具有较好地承重载荷的能力。
为使得滚动轴承6轴向定位可靠，本实施例提供的滚动轴承6还配置有轴承定位结构，轴承定位结构包括设置在挠性杆3上的凸肩和沿套筒轴1内侧径向开设的限位槽，以使滚动轴承6装配在限位槽内并能够通过凸肩对其进行轴向定位；采用上述结构，利用滚动轴承6和预载块8达到挠性杆3的驱动端与套筒轴1支承连接的同时，滚动轴承6在套筒轴1中心孔轴向定位可靠，且便于装配和拆卸；作为优选，轴承定位结构还包括安装在挠性杆3上的定位环7，定位环7安装在滚动轴承6相对于凸肩的另一侧，利用挠性杆上的凸肩和定位环首先将滚动轴承可靠地安装和定位在挠性杆上，然后将挠性杆从驱动端至非驱动端方向装配至套筒轴中心孔内部，套筒轴驱动端的限位槽对挠性杆和滚动轴承的装配起定位作用，最后装配非驱动端的传扭销或花键，使得挠性杆和套筒轴连接成为一体。
此外，预载块8的截面呈楔形状，楔形空间为设于滚动轴承6外圈和套筒轴1内侧之间的楔形环槽结构，楔形空间靠近驱动端一侧为整圈开口结构，用于将预载块嵌入楔形环槽结构上下左右四处以调整套筒轴和挠性杆的对中以及滚动轴承的预载；滚动轴承组合预载块的设计在驱动端提供了套筒轴对挠性杆的支承结构，保证了挠性杆和套筒轴之间的支承刚度，进而保证了轴系中齿轮转子平稳运行。综上所述，本实施例套筒轴挠性杆刚性齿轮转子相对于传统柔性转子结构的关键在于采用在挠性杆3的驱动端与套筒轴1之间装配滚动轴承6，以使挠性杆3的驱动端通过滚动轴承6与套筒轴1支承连接，增加了轴系中挠性杆的支承结构和支承刚性；同时通过预载块8调节滚动轴承6的预载荷以增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，保证套筒轴挠性杆刚性齿轮转子运行平稳，能够从根本上解决现有柔性结构齿轮转子容易出现轴系的共振、轴系失稳和异常振动问题。
实施例二
实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：本实施例提供了一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，作为实施例一的优选方案，本实施例挠性杆3延伸出套筒轴1的右端驱动端端部设有靠背轮5，以使转子通过靠背轮5和被驱动设备连接，由此采用上述结构，通过沿套筒轴1中心孔延伸的挠性杆3变形来吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，从而保护轴系中齿轮2的安全。
作为本实施例的优选，挠性杆3的长度与挠性杆3的直径之比大于10，挠性杆采用细长结构的设计能够更好地吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩，保证轴系中齿轮转子安全运行。
综上所述，本实施例套筒轴挠性杆刚性齿轮转子一方面通过细长的挠性杆的变形可吸收被驱动设备异常工况的瞬时扭矩从而保护齿轮2的安全，另一方面通过预载块8调节滚动轴承6的预载荷增加支承刚度使套筒轴挠性杆齿轮转子成为刚性转子，在转子动力学技术领域具有很好的应用前景和推广使用价值，适合推广应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：包括
套筒轴，所述套筒轴上设有双斜齿轮，且套筒轴在沿其中心轴方向开设有中心孔；
挠性杆，所述挠性杆沿所述中心孔穿过并与所述套筒轴呈同轴设置，且挠性杆一端与套筒轴过盈装配，使两者连接为一体以传递齿轮传动产生的扭矩，另一端延伸出套筒轴和被驱动设备连接；
滚动轴承，所述滚动轴承装配在所述挠性杆的驱动端与套筒轴之间，以使挠性杆的驱动端通过滚动轴承与套筒轴支承连接；且在所述滚动轴承外圈和套筒轴内侧之间具有楔形空间；预载块，所述预载块安装在所述楔形空间内，用以调节所述滚动轴承的预载荷；
还包括轴承定位结构，所述轴承定位结构包括设置在挠性杆上的凸肩和沿所述套筒轴内侧径向开设的限位槽，以使滚动轴承装配在限位槽内并能够通过凸肩对其进行轴向定位；所述轴承定位结构还包括安装在所述挠性杆上的定位环，所述定位环安装在滚动轴承相对于凸肩的另一侧，用于对滚动轴承进行轴向定位。
2.根据权利要求1所述的套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：所述套筒轴与内置于其中心孔内的挠性杆之间具有环形间隙A，且环形间隙A为10mm-20mm。
3.根据权利要求1所述的套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：所述挠性杆的非驱动端与套筒轴过盈装配成为一体，并通过传扭销或花键传递齿轮传动产生的扭矩。
4.根据权利要求1所述的套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：所述预载块的截面呈楔形状，所述楔形空间为整圈开口结构，用于将预载块嵌入所述楔形空间内以调整套筒轴和挠性杆的对中以及滚动轴承的预载。
5.根据权利要求1-4任一项所述的套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：所述挠性杆延伸出所述套筒轴的驱动端端部设有靠背轮，以使转子通过靠背轮和被驱动设备连接。
6.根据权利要求5所述的套筒轴挠性杆刚性齿轮转子，其特征在于：所述挠性杆的长度与挠性杆的直径之比大于10。
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