膜盘的冗余结构设计

膜盘的等强度近似理论

在膜盘所受的载荷中，扭矩载荷对膜盘的影响大，由于膜盘扭转刚度及柔性是两个相互矛盾的参数，故需要根据膜盘的受载特点来设计的膜盘型面。其中，膜盘在传递扭矩时所引起的切应力为：

冗余结构的功能有两个，一是防止膜盘破损时的飞溅造成对周围设备的损坏，二是当膜盘破损时代替膜盘进行扭矩传递，由此减少其故障时间，保护设备及人员。对于冗余结构的设计分析，主要从下面几个方面进行：干涉性分析、功能切换分析及变更模式后的强度分析，即首先要在膜盘正常工作状态下，冗余结构不会对膜盘产生干涉；其次根据膜盘的失效形式，对冗余结构的受载情况进行分析；对冗余结构传扭时进行应力分析，其能够起到保护作用。

冗余结构的设计

在传统膜盘联轴器的结构中，膜盘破损时是由护板的作用对膜盘的飞溅进行牵制。基于机械结构冗余设计理念，考虑到膜盘的破损问题，同时为了不因为增加零件而导致膜盘联轴器的质量增大，本文将中间轴和护板之间设计为留有足够间隙的花键形式，其在膜盘联轴器正常工作时不起作用，而当膜盘失效时接替膜盘进行传扭，从而对膜盘的过载破损起到保护作用。

带花键的中间轴设计

花键一般有矩形花键和渐开线花键两种类型。矩形花键加工方便，用小径定心，易于定心的精度，适用于静连接或轻载连接。渐开线花键受载时齿上有径向力，能起自动定心作用，使各齿受力均匀，花键齿的根部，应力集中小，适用于载荷较大，定心精度要求较高及尺寸较大的连接[3]。由于膜盘联轴器的工作时所受到的载荷较大，而且由于此处花键之间留有很大的间隙，因此能够起到自动定心的作用，故本文选择渐开线花键进行讨论。对于渐开线花键承载能力的计算公式如下：（1）载荷计算载荷计算公式为：根据中间轴直径尺寸，以及承载能力计算公式，初步选用的渐开线花键齿数为11，模数为，齿的工作长度为1mm，中间轴的长度为200mm，此外为了防止冗余结构传扭时发生较大的轴向窜动，将中间轴设计为阶梯轴的形式

带花键外齿的中间轴护板的设计既需要考虑与膜盘的连接，也需要与中间轴进行配合。根据工作环境的要求，护板上的花键内齿与中间轴上的花键外齿在膜盘正常工作时应留出足够大的间隙，而间隙的设计需要对膜盘正常工作时的应变进行分析才可得出。

花键内外齿的间隙设计

在膜盘正常工作时，为了冗余结构不对其进行干涉，需冗余结构内外齿之间的间隙满足其相对位移。由于膜盘工作时，冗余结构不受载，故内外齿的相对位移主要是由膜盘变形程度决定的。其中，决定齿顶隙的主要因素为角向偏转，决定齿侧隙的主要因素为扭矩载荷，因此对这两种工况作用下的内外齿相对位移进一步分析。