海军驻哈尔滨七○三所军事代表室 黑龙江省哈尔滨市 150078
摘要：本文主要介绍了几种当前舰船动力传动系统中常用联轴器的应用，对联轴器结构特点、在机组中的作用及国内外应用进行了总结说明，同时，分析了舰船动力传动系统的发展趋势及对联轴器的要求。
引言
在舰船动力传动系统中，联轴器主要布置于主机与减速齿轮装置之间、减速齿轮装置与推进系统之间、传动系统各减速齿轮装置之间以及减速齿轮箱级间位置。在传动系统中，联轴器一方面起到传递扭矩及转速的作用，另一方用于补偿连接设备之间的由于制造误差、安装误差、承载后的变形以及工作环境温度变化的影响等所引起的轴向、径向和角向偏移。同时在一些特定传动系统中还起到减震降噪的作用。
舰船动力传动系统联轴器选用中应根据主机形式、布置位置、使用工况不同选用不同规格及形式的联轴器，目前我国舰船动力传动系统使用的联轴器主要分为全金属挠性联轴器及橡胶联轴器两大类，其中全金属挠性联轴器主要有膜片联轴器、膜盘联轴器、U型盘+筒形联轴器，橡胶弹性联轴器主要有高弹橡胶联轴器、齿式橡胶联轴器、隔音联轴器。
1全金属挠性联轴器在舰船动力传动系统中的应用
该型联轴器为全金属结构，主要通过金属挠性元件的三维变形补偿轴系的各项偏移，金属挠性元件根据联轴器结构形式的不同而有一定的差异。全金属挠性联轴器具有承载能力强、连接可靠、反应灵敏、耐高温、抗腐蚀、不需润滑、无需维护、使用寿命长等特点，目前广泛应用于蒸汽轮机、燃气轮机动力的舰船传动系统中。
1.1膜片/膜盘联轴器
膜片/膜盘联轴器是目前应用较为广泛的金属挠性联轴器，在结构特点及应用方面有一定的相似，因此本文将这两种联轴器统一进行介绍。
膜片联轴器结构如图1所示，膜盘联轴器结构如图2所示。膜片组件(膜盘元件)是该型联轴器的挠性元件，轴系的各项偏移均通过膜片组件(膜盘元件)的三维变形进行补偿。
1.1.1国外应用情况
世界上最早从事研究和生产膜片联轴器的是英国的弗莱克斯博克斯（Flexbox）公司。1956年，帕米屈拉达试验台对首台工业用Metastream膜片联轴器进行了试验。试验证明，此类联轴器基本满足主涡轮传动轴的要求。其后，该试验站在30000轴马力的YEAD1装置上、AEI公司在英海军资助的蒸、燃气轮机试验台上对该型联轴器进行了进一步试验。通过这些试验，得出了一种带中间轴的膜片联轴器规范，这一规范用在了当时正在设计的COSAG联合动力装置中。
英皇家海军的“部落”级通用护卫舰，“州”级导弹驱逐舰都成功地使用了膜片联轴器。
随着轻型的航空燃气轮机在大型水面舰船的应用，1965年，罗尔斯－罗伊斯公司安斯提分部的奥林普斯整机试验台上安装了膜片联轴器，在全负荷及综合不对中情况下，试验结果令人非常满意。1968年，在全燃舰艾克斯茅斯号上安装了经改进的轻型的膜片联轴器。
上世纪六十年代中期，膜片联轴器的研制受到美国本迪克（Bendix）公司膜盘联轴器（Diaphragm Coupling）的激励，使得原始的轮幅型膜片得以改进，研制出了一种全新的束腰型膜片。此类膜片成功地用在42型舰太因Tyne发动机的输出端。
目前，英国海军大型水面舰船发动机已实现全燃化，而燃机的输出端无一例外地安装了膜片联轴器。
自1947年Bendix公司在飞机上成功使用膜盘联轴器以来，到1975年飞机场合所使用的膜盘联轴器已经超过18万台。现在在美国通过膜盘联轴器规范化及系列化的设计，使其已逐渐被应用到军用飞机上。
1968年，由于技术进步和经验的积累，膜盘联轴器的应用扩展到舰船动力系统。1969年12月，“卡拉汉”号上的左舷机换成了一台LM2500燃气轮机，但膜盘联轴器并未更换，到1972年10月已累积运行超过17000小时。膜盘联轴器被应用于很多不同的燃气轮机系统,如涡轮动力与船用系统公司的FT-4、通用电气公司的LM2500、莱康明公司的TF-25A、DDAD(艾利森)公司的501等等。其中FT-4双装的发电机系统与船用推进系统用于“欧洲班轮”号、“欧洲货船”号、“亚洲班轮”号及“亚洲货船”号四艘燃气轮机船，同时该系统还应用到美国海岸警备队的破冰船上。
1.1.2国内应用情况
1982年9月13日中船工业某研究所研制的我国首台高速大功率膜片联轴器在株州湘江机器厂A04B压气机试车台试验成功，功率3000马力，转速12300转每分。由于该型联轴器不需润滑，所以从根本上解决了齿型联轴器的润滑及供回油等一系列问题，为某型燃气轮机出厂试验奠定了基础。
九十年代初，为解决某型蒸汽动力舰船主齿轮减速机组级间轴承烧损等问题采用了膜片联轴器设计方案，最终实现了该型联轴器的装舰应用。经该型舰连续数月几万海里的出海航行实践证明该型舰采用膜片联轴器方案是合理的，降低了噪音和振动，彻底解决了级间轴承烧损问题，实现了国内首次舰船动力传动系统膜片联轴器的首次应用。
此后，膜片联轴器在某型燃气轮机动力舰船上也实现了装舰应用。目前国内大型舰船用膜片联轴器已完全实现了国产化，已经交付运行的联轴器一直安全稳定运行。
九十年代末期，国内开展了级间膜盘联轴器研制工作，通过设计技术和加工工艺攻关，突破了相关的关键技术，完成了装备供货，实现了膜盘联轴器的首次装舰，填补了该项目国内空白，取代了国外进口产品，实现了该产品的国产化应用，联轴器各项性能指标均达到国外产品水平。为后续膜盘联轴器设计及应用提供了丰富的实践经验。
随着我国船舶工业的发展，对膜盘联轴器的需求及要求日益增加，特别是在补偿轴向、角向变形、可靠性及重量方面要求越来越高，如某些燃气轮机动力舰艇，由于其船体为铝合金材料，因此在运行中船体会产生很大的变形，而这些变形就需要挠性联轴器来吸收，同时为了提高舰船的运载能力需要尽可能减轻设备重量，因此通过比较只有膜盘联轴器才能满足上述特殊要求。
1.2 U型盘+筒形联轴器
U型盘+筒形联轴器为乌克兰近几十年研制和应用的一种挠性联轴器，与其它联轴器相比，其具有外形尺寸小、轴向补偿能力强、轴向及角向刚度小等特点。该联轴器的挠性元件由U型盘及挠性筒两部分组成，其中挠性筒具有很强的轴向补偿能力。
1.2.1国外应用情况
该联轴器为乌克兰的曙光－机械设计生产联合体研制及应用的一种新型联轴器，目前主要应用于某型气垫登陆艇燃气轮机与主减速齿轮箱之间。目前已装备了多条该型登陆艇。
1.2.2国内应用情况
我国研究机构在“十一五”期间首次解读了该联轴器的设计方法及设计理念，对联轴器开展了逆向设计，掌握了相应的设计、分析方法，突破了计算及加工等关键技术，设计并加工了试验件，开展了试验验证，为产品的实际应用奠定了技术基础。
2橡胶弹性联轴器在舰船动力传动系统中的应用
该型联轴器的挠性元件为橡胶材料，通过橡胶挠性元件的变形补偿轴系的各项偏移，由于橡胶元件的高弹特性，该联轴器还具缓冲主机振动冲击及吸收振动的特点，起到减震降噪的作用，因此该联轴器广泛应用于机组振动较大的轴系及对隔振降噪有一定要求的轴系中。由于挠性元件为橡胶材料，因此该联轴器工作机组温度不宜过高。本文中介绍的橡胶弹性联轴器根据弹性元件传扭受力形式分为剪切型(高弹橡胶联轴器)及受压缩型(齿式橡胶联轴器、隔音联轴器)。
2.1剪切型橡胶弹性联轴器
剪切型橡胶弹性联轴器是目前应用较为广泛的联轴器，自20世纪60年代以来，国外发达国家相继研制了盖斯林格、伏尔康式等高弹橡胶联轴器，广泛运用于各种传动轴系中。国内于70年代后期开始研制高弹性联轴器，如L型橡胶金属环联轴器和引进技术生产的盖斯林格联轴器。
在舰船动力传动领域，由于该联轴器的减震降噪特性，广泛应用于柴油机动力系统中。目前我国柴油机动力的舰船大都采用了该类型联轴器。
2.2受压缩型橡胶弹性联轴器
橡胶弹性联轴器在船舶动力装置中得到广泛的应用，且已经形成了系列化产品。随着船舶动力的不断增大，传递的扭矩不断增加，高弹性橡胶联轴器因其在传递大扭矩时，联轴器的体积较大，导致附加传动惯量大，对主机的运行产生不利影响，所以不能满足传扭要求。受压缩的橡胶弹性联轴器相比剪切型的高弹性联轴器能够传递更大的扭矩，目前，舰船中应用的受压缩的橡胶弹性联轴器主要有隔音联轴器和齿式橡胶联轴器。此种结构的联轴器结构紧凑，传递的扭矩大，改善了轴系的受力情况、隔离了结构噪声的传递，对整个动力传动装置的安静性和隐蔽性起到非常重要的作用。目前，随着船舶动力装置对噪声的要求越来越高，整个装置中采用了大量的隔振措施。因此，在齿轮减速箱与推进轴系间安装隔音联轴器可以提高补偿能力，降低不对中所引起的故障、衰减动力装置通过轴系传出船外和螺旋桨传入船内的结构噪声，还可以避免装置运行过程中产生冲击，这里举例说明压缩型橡胶弹性联轴器的应用情况。
2.2.1齿式橡胶联轴器
齿式橡胶联轴器安装在主汽轮机与主减速器之间，主要作用在于传递扭矩，提高不对中补偿能力及隔离结构噪声的传递。主汽轮机组和主减速器整体一同安装在浮筏上，橡胶弹性元件的存在隔离了主汽轮机组与主减速器间的结构噪声，缓冲主机脉动扭矩对齿轮箱的冲击，吸收振动能量，提高了舰艇的安静性和隐蔽性。
2.2.2隔音联轴器
隔音联轴器主要安装在齿轮减速箱与推进轴系之间，其作用在于除了进一步衰减轴系扭转振动外，还是衰减箱装体内传动系统结构噪声的唯一装置。同时，隔音联轴器还起到补偿由于振动、冲击等原因造成的隔振装置弹性支承变形所引起的轴向、径向位移的作用。目前该联轴器已在国内某大型舰船动力传动系统中得到了应用及验证。
3联轴器发展趋势
3.1全金属挠性联轴器
全金属挠性联轴器是目前应用最为广泛的联轴器，国内外都有广泛应用，目前已形成了标准化、系列化。随着舰船动力系统的不断发展和升级，机组对联轴器的各项性能指标提出了更高的要求，如大功率、高转速、大补偿能力，轻质量、结构小型化。目前，全金属挠性联轴器的发展趋势大致可以归纳为如下三个方面。
3.1.1采用新材料
这里介绍的采用新材料主要分为两方面，一是挠性元件，二是连接转接部件。联轴器的轴系偏移补偿都是通过挠性元件变形实现的，因此提高联轴器的补偿能力的重要途径就是改进挠性元件的材料，采用高强度、低弹性模量的材料加工挠性元件。采用碳纤维等新型非金属材料加工连接转接部件一方面可提高联轴器强度，另一方面可减小联轴器的质量。采用新材料可实现机组对联轴器大功率、大补偿能力、轻质量的要求。
3.1.2改善计算方法
将先进的计算机仿真分析技术应用于联轴器结构设计，使计算模拟模型与联轴器的真实工作环境更加接近，实现联轴器的有限寿命设计。由此可实现联轴器结构的小型化设计。
3.1.3采用新结构
通过结构优化，金属挠性元件可实现结构的多样化，如通过优化设计，膜盘元件可分为直线型膜盘、锥线型膜盘、双曲线型膜盘，三种结构形式的膜盘在传扭能力、补偿能力、加工工艺等方面各有特点。同时根据应用环境的不同，膜盘元件还可进行多盘组合设计、多盘串接设计、U型盘设计、J型盘设计等。通过新结构的改进优化设计，可提高联轴器的各项性能指标，满足不同环境下的应用。
3.2橡胶弹性联轴器
弹性联轴器的品种繁多，弹性和高弹性联轴器在船舶动力装置中得到了广泛的应用，有些联轴器已经形成了标准化、系列化产品，基本满足了各种舰船动力装置的要求。随着舰船主动力功率的不断增大，对噪音的要求越来越高，齿式橡胶弹性联轴器及隔音联轴器的应用势必会更加广泛，对其结构形式及性能的要求也越来越高。目前，橡胶弹性联轴器的发展趋势也大致可以归纳为如下三个方面。
3.2.1采用新材料
橡胶元件易老化、耐油性和耐高温性能差的缺点影响了它的使用范围，对橡胶元件不断改善其材料特性，如加强理论研究、基础试验、橡胶硫化过程以及橡胶配方的研究。目前应用较多的弹性元件材料有合成橡胶材料、聚氨酯材料等。
3.2.2改善计算方法
计算机的发展，促进了计算方法的发展和应用，对橡胶元件采用先进的计算机精确算法使结构尺寸减小，对橡胶元件的结构进行优化，提高联轴器性能。
3.2.3采用新结构
隔音联轴器的基本结构形式为确定结构，此种结构以橡胶金属环为弹性传扭元件，具备很多的优点。而齿式橡胶联轴器中的弹性传扭元件具有很多的结构形式，不同的结构形式橡胶元件的受力情况不同，橡胶弹性联轴器的性能不同，所应用的场合也不同。
4结论
通过以上对舰船动力传动系统联轴器的分析说明，可以看出在不同的机组及应用环境下，对联轴器的性能指标要求也有所不同。对于舰船用联轴器的发展趋势，无论是全金属挠性联轴器还是橡胶弹性联轴器均提出了大功率、大补偿能力、轻质量、结构小型化的要求。因此在未来的舰船传动系统联轴器应从以上方面开展研究工作，以提高我国舰船联轴器的研究及应用水平。
参考文献
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论文作者:李国镔
论文发表刊物:《科技新时代》2018年9期
论文发表时间:2018/11/14
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