1．5MW风电机组联轴器国产化研制.pdf

向和角位移，吸收轴系因外部负载的波动而产生 的额外能量，并不问断传递扭距和运动同时产 品具有扭矩限制功能，当机组发生短路或过载时， 联轴器上的扭矩超过了设定的扭矩，扭矩限制器 (图2)便会产生分离，当过载情形消失后自行恢复 联结，从而有效防止了机械损坏和昂贵的停机损 失由于该联轴器采用高强度合金材料及复合材 料制造，轻巧、免润滑、耐高低温、抗疲劳性强、 绝缘，在风力发电机80ITI的高空中，上至7OqC高 温，下至零下40 低温，可长期连续运转，且免 维修 平键联轴器 摩擦 图1联轴器三维图 力矩限制器 图2力矩限制器 2．1 联轴器设计与研发的流程 为了顺利完成联轴器的国产化研制，制订了 图3所示的设计研发流程其中，联轴器强度设 计、联轴器力矩限制器滑动力矩检测试验台设计 与制造、打滑力矩设定与检测、联轴器动平衡试 验检测以及关键金属材料、玻璃钢非金属材料、 摩擦片烧结复合材料的研究与确定尤为重要 初始设计t--~．)4详细设计[==二二二二 试制 接口尺寸要求 l 力矩限制器等 拟定初始尺寸I 零件加工、表 面处理、装配 体如模片、中 堡鐾竖 f( 丽 囊 L1 霪弱蓥蝴 有零件均需进行J l 望 堕 的预紧I 垦 孵 I e量生 图3设计开发流程图 2_2设计研发的主要内容 2．2．1联轴器结构设计、尺寸和材质确定 根据《东汽1．5 MW风力发电机组联轴器技术 协议》相关技术指标及接口尺寸要求，完成联轴 器结构设计及各零部件材质确定。

2．2．2联轴器强度、整体性能和振动分析与校核 根据零件和装配图，在规定极限力矩作用下 的极限强度计算，具体包括： (1)平键联轴器装配体的强度分析； (2)膜片强度计算与疲劳分析； (3)中间管轴装配体强度分析； (4)力矩限制器装配体有限元分析； (5)无键联轴器装配体有限元分析； (6)联轴器整体的固有频率分析 分析结论： (1)联轴器各关键零部件(平键联轴器、刹车 盘、膜片、强化玻璃纤维中间体、力矩限制器、无 键联轴器等)在极限力矩作用下满足强度要求(图 4) Equivalent Von Mises Stress 图4强度分析 (2)通过对1．5 MW风力发电机联轴器的振动 理论计算和有限元分析(图5)，联轴器在约束状态 下，第一阶固有频率l4．36 Hz(共振转速约861．6 r／rain)，由于风机的工作转速在1 005～1 980 r／rain 范围内变速运行，而861．6 r／min只是在启停过程 中的一个瞬时转速，且迅速通过，因此1 MW风电 联轴器在风机工作时不会发生共振 图5第一阶，轴向振动，固有频率14．36 Hz (3)膜片的设计是非常关键的(图6)，如果增 加刚度，那么连轴器的整体固有频率就会落人到 风力发电机的工作频率范围内，但如果膜片的设 计强度不够，又很容易造成其塑性过高，屈曲安 全系数不够和疲劳寿命不能满足要求等。

这是应 该特别注意的 8 740e+002 7 867e+0o2 6 995e+002 6 123e+002 5 250e+002 4 37Se删2 3 506e+002 2 633e+002 l 76le+0o2 8 884e+00l l 598e+000 Equivalent V on Mises Stress 图6极限工作状况下膜片的应力云图 (4)纤维筒与锥套之间连接粘胶的选择也很 重要，理论计算是认为扭矩在粘结部位均匀传递； 但实际上，由于扭矩传递的非均匀性(通过每个锥 套两颗销螺栓传力)，所以只有装配体的计算才能 获得准确的粘胶性能要求参数 (5)无键连轴器上的螺栓的设计预紧力所产 生的法向正压力比无键连轴器内与电机输入轴之 间传递3．5倍额定力矩需要的法向压力大15．9％， 所以预紧力矩足够大，不会发生打滑 利用内部资源完成了除摩擦片和玻钢筒以外 的所有零部件的加工制造，并对部件的试制件与 进口样件进行了质量对比检查联轴器的重要零 部件简述如下： 3．1 玻钢简及其与金属件的胶接 为了保证电机侧与齿轮箱侧之间绝缘，联轴 器的中间管轴部分采用了玻璃钢材料(图7)，玻钢 筒与其两端金属件采用特种粘接剂进行胶接。

图7玻璃钢简体 性能数据见表2 表2试制件玻钢简理论性能数据 3_2锥套1、锥套2与摩擦法兰 考虑联轴器的低温要求，锥套1、锥套2和摩 擦法兰均采用球墨铸铁件，牌号为QT400．18L，检 查结果如下： 图8锥套I 47 图9锥套2 图l0 (100×)试制件锥套金相试样检查结果 铁素体+球状石墨，其各项检测结果见表3～5 表3 QT400—18L试制件化学成分(wt％) 表4 QT400．18LI,~IJ件单铸试样力学性能 表5 QT40018L单铸试样金相检查结果 检查项目 组织类型 球化级别 石墨大小 珠光体含量 铁素体3级(石墨大部分 5级 单铸试样 + 呈团、球状，球化(球墨直径：0 石墨 率8O～90％) 6—12mm) 3．3摩擦片 摩擦片作为力矩限制器中最重要的功能性零 件，是由电镀铜层、不锈钢层和青铜烧结层组成 摩擦片采用钟罩炉加压烧结法(压烧法)制造，该 方法的基本工序为：钢背板加工一去油、电镀铜 层(或铜、锡层)一配方料混合一压制成薄片，与 钢背板烧结成一体一加工沟槽及平面 3．3．1摩擦片外观与硬度(HV1) 图11试制摩擦片半成品，金相取样位置 图12试制摩擦片切面，上方为青铜烧结层，厚 0．62 mm。

下方为0Crl 8Ni9基板 3．3．2摩擦片青铜烧结层微观组织 图13(100 X)青铜层与不锈钢基板结合较好，： 状，分布欠均匀，含量约10％ 不锈钢基烧结青铜摩擦片烧结质量尚 与进口件存在差异，主要是石墨形态、石 与石墨的分布均匀性等据查，这与各国 摩擦材料成分存在区别有关，德国铜基干 片的石墨组元含量最高，远高于美国、日 图14 500×腐蚀后青铜烧结层与不锈钢基板的结合层 图15 (500 X)青铜烧结层石墨分布 正常区组织：球状石墨+青铜 固溶体基体，(进口件为网状石墨 +青铜固溶体) 图16{500×)不锈钢基板的奥氏体固溶组织，与进口件一 样，晶界明显 联与中国在保证摩擦性能的前提下，烧结层中 石墨的含量与分布均匀性是值得改进的 当前，批量生产的摩擦片的质量已接近或达 到进口件水平 3．4弹簧膜片 风电联轴器采用了弹性联轴器中带中间轴的 膜片联轴器结构这种联轴器使用一种厚度很薄 的弹簧片(图17) 图17弹簧膜片 试制件硬478 450 度(HV10)459 442 459 464 442 442 450 455 图18(500×)试制弹簧膜片为马氏体中温回火托氏体组织， 3．5胀套 图19试制胀套 图20试制胀套显微硬度压痕与硬度值 试制件硬 343 459 405 326 504 度(HVIO)459 471 409 490 475 49 4l力j溅嘲骏台谣阱与 燧 4．1 力矩检测试验台设计 要保证风电联轴器首制产品的可靠性和安全 性，必须按照CL标准进行风电联轴器的验证试 验，包括扭转试验、偏移扭转试验、力矩限制器 检测和调定等。

考虑到风电联轴器主要是长时间在大扭矩、 变工况的环境下工作，因此，考虑设计一个能基 本模拟联轴器实际运行工况，且具备以下特点的 检测试验台： (1)可对风电联轴器整体进行扭转试验： (2)可同时对联轴器施加轴向、径向和角偏 移，并进行扭转试验； (3)检测试验台可以提供试验所需的扭矩， 且扭矩大小可调； (4)可检测和设定力矩限制器的打滑力矩； (5)按2．5 Mw风电联轴器检测试验设计，同 时兼顾1．5 Mw风电联轴器的检测试验； (6)液压系统、电气系统运行安全，可靠， 检测仪器灵敏，准确； (7)制造费用合理，性价比高 兼顾以上设计原则，采用液力传动的方式来 产生风电联轴器实际运行时的扭矩，即用一个液 压泵供油，推动液压缸的活塞杆向前运动，产生 风电联轴器需要的扭矩这种设计方案很容易精 确控制扭矩大小，同时试验台具有结构紧凑、投 资小、工作可靠、制造周期短等优点 4_2检测试验台结构简介 试验台包括：机械部分(图21)、液压系统 (图22)、测量系统(图23)和控制部分(图24)组 成 s 联轴器性能蟊j：验 -- ． i 5．1 打滑力矩设定与检测 按照《风电联轴器力矩限制器打滑力矩设定 及整体性能试验规程》对1．5 Mw风电联轴器进行 了打滑力矩设定与检测(图25)，试验数据见表6。

5．2扭转角对比检测 对联轴器试制件和进口样件整体分别进行了 图21检测试验台机械部分 图22液压系统 图23测量系统 图24控制部分 图25联轴器在打滑力矩设定与检测中 表6打滑力矩检测结果 序号拧紧力矩／Nm油缸伸出油压／MPa打滑力矩／kN-m是否打滑 图26试制件扭转试验 对比扭转试验，见图26 通过对比扭转试验，获得了相应试验数据， 并根据这些数据绘制了扭矩与扭转角之间的关系 曲线(见图27～29) ，一 样 辑 扭矩／kN-『n 图27试制件扭矩与扭转角之间的关系曲线 3 ，、2．5 2 1．5 1 0．5 0 扭矩／kN-m 图28进口件扭矩与扭转角之间的关系曲线 扭矩／kN·IIl 图29试制件与进口件扭矩与扭转角之间的关系曲线对比 5．3膜片组弹性检测 通过调整轴向和径向丝杆的旋入长度，对试 制和进口联轴器加载相同的径向和轴向偏移量， 同时测得旋合时的拧紧力矩，该力矩即可代表膜 片组的弹性能力(见图30、31和表7) 图30轴向位移检测 图31径向位移检测 表7偏移拧紧力矩值 Nm 5．4极限负荷试验 试验内容：对试制联轴器同时加载12 mm径 向和4 mm轴向偏移量，再以最大扭矩(即1．2倍滑 动力矩)进行扭转试验，并在该极限负荷情况下保 持10 min。

试验完成后，检查解体后的联轴器各零 部件有无损坏 图32 图33 51 从图32和图33可以看出，在该极限负荷情 况下，受压的膜片发生明显的屈曲变形在实验 结束后，拆下膜片，并在检查平台上检测其平面 度，发现与试验前基本相同，这就证明膜片的变 形在其弹性范围内，是满足使用要求的(与计算结 果相同，见图34) l rV rm Min 3 07—008@Nd l559 defauh Deformalion： Max1 00+000@Nd1334 极限负荷下，有限元分析结果图 试验结束后，对每个零部件进行了仔细的检 查，均未发现损坏或损伤现象 6国产化联轴器的批量生产 通过几个月的努力，已成功试制出外观质量 好、满足使用要求的联轴器，对1．5 MW风电联轴 器的设计、加工制造和性能试验等都积累了丰富 的经验，因此表工所具备了1．5 MW风电联轴器的 批量产 能力与条件 6．1 国产化联轴器的动平衡测试 为保证风电联轴器运行过程中的动平衡，减 少振动与运转噪音，必须对每一件联轴器产品的 不平衡量进行进行严格控制(图35) 图35联轴器产品动平衡调整试验 6_2 国产化联轴器生产的批量化 图34是已经安装调试完毕，等待包装发运的 1．5 MW风电联轴器成品，截至2009年5月，已产 52 出风电联轴器共计1 000余台。

图36 1．5 MW风电联轴器产品 7 结语 ； _ ““ ll_00≤ 东汽表工所通过对联轴器设计、材料、加工 制造和检测试验等专项研究，试制件的关键指标 已达到或超过了进口件，并最终实现了联轴器的 批量产出，替代进口件，满足了风电机组设计和 安装的要求 在以后制造中还需要继续严把质量检查关， 不断总结经验，改进和优化加工工艺、辅助工装， 以提高生产效率和产品的内、外在质量，满足不 断扩大的风电市场需求 ．址 —Sl上—S — ．S ．S ．S ．址．址 驰—址 —址． ．S ．址．址．址．址 方电乞译 编辑部迂址告知 方电气评论》编辑部已从成都市金牛区蜀汉 路333号搬迁至新址办公具体如下： 地址：成都。