某型風電聯軸器的力矩限制器
——拉傷解決方法

2017-10-12 03:21:55白潤東黃滔

東方汽輪機 2017年3期

白潤東，黃滔

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

白潤東，黃滔

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

從聯軸器力矩限制器原理、結構入手，針對力矩限制器中零件在扭矩試驗中拉傷問題，通過采用不同材質、加工工藝等對其進行大量試驗，有效解決了力矩限制器中鍛件之間的拉傷問題。

聯軸器，摩擦法蘭，鍛件，拉傷

Abstract：Start from the principle and structure of the coupling torque limiter,A large number of tests are carried out on the partial strain problem of torque limiter in the torque test by using different materials and processing techniques.The strain problems are solved effectively between the torque limiter forgings.

Key words：coupling,friction flange,forgings,strain

0 引言

2.0MW風電聯軸器在樣件實驗中，發現力矩限制器中摩擦法蘭內孔和錐套2外圓接觸部位容易產生拉傷現象。同時考慮到風力發電機組的實際運行工況。從摩擦法蘭材質、加工工藝等著手，經過一系列試驗探索和研究，最終解決了力矩限制器的拉傷問題。

1 風電聯軸器的作用

風電聯軸器是用來聯接齒輪箱高速軸和電機軸之間的機械零件。起傳遞扭矩、緩沖、減振、絕緣、過載保護和提高軸系動態性能的作用。

2 力矩限制器的結構

聯軸器力矩限制器由錐套2、摩擦片、摩擦法蘭、端蓋等組成。力矩限制器的打滑扭矩可根據需求進行調節。力矩限制器的結構原理見圖1。

旋轉1

當風機傳動鏈中傳遞的扭矩超過力矩限制器的標定扭矩時，力矩限制器會發生打滑，對整個風機傳動鏈進行有效的過載保護。

3 原因分析及試驗方法

圖2 聯軸器扭矩試驗

圖3 拉傷的摩擦法蘭表面

通過對聯軸器力矩限制器進行扭矩試驗（見圖2），發現聯軸器力矩限制器中摩擦法蘭在扭矩試驗中存在拉傷現象，拉傷后的摩擦法蘭表面見圖3。分析其原因，可能存在以下幾個原因：

（1）零部件加工或裝配尺寸偏差大，在相對運動中擠壓拉傷。

（2）相同金屬的互溶性大，摩擦副容易發生粘著現象，使摩擦系數增大，配合面容易發生咬合。

經反復檢查確認和試驗，各零件幾何尺寸、形位公差和表面光潔度符合設計要求，裝配后配合良好。排除裝配中幾何偏差引起的拉傷。

摩擦法蘭與錐套均為Q345-E鍛件，通過更改摩擦法蘭材質和加工工藝來降低摩擦系數，提高摩擦副的抗咬合能力，去除表面拉傷現象。

3.1 材料QT600-3 GB/T 1348-1988

3．1．1 化學成分

QT600-3化學成分見表1。

表1 QT600-3化學成分單位：%

3．1．2 金相組織

金相組織：珠光體+鐵素體

3．1．3 摩擦法蘭材質改為鑄件QT600-3。其具有良好的耐磨性且條件屈服強度為360 MPa，滿足使用要求；經扭矩試驗，內孔無拉傷現象。但其伸長率較差，經低溫沖擊試驗檢測，鑄件QT600-3 在-20 ℃時 KV2=3．0 J，在-40 ℃時 KV2=2．5 J；沖擊性能差，故未予以采用。QT600-3的力學性能見表2。

表2 QT600-3力學性能

3.2 材料QT400-18AL GB/T 1348-1988

3．2．1 化學成分

QT400-18AL化學成分見表3。

表3 QT400-18AL化學成分單位：%

3．2．2 金相組織

金相組織：鐵素體。

3．2．3 該材質曾應用于1．5 MW風電聯軸器摩擦法蘭，有優良的力學性能和低溫性能，伸長率大于12%，在-20℃沖擊韌度大于12 J/cm2，滿足風機運行的環境工況。

3．2．4 問題

鑄件QT400-18AL的材料屈服強度相對較弱，條件屈服強度為250 MPa，小于摩擦法蘭最大vonMises應力 276．7 MPa。

3．2．5 解決方案

試圖通過加厚摩擦法蘭的幾何尺寸來達到強度要求，加厚方向如圖4所示。按圖示方向分別加厚1～5 mm，分析摩擦法蘭是否滿足強度要求。

圖4 摩擦法蘭幾何尺寸加厚方向示意圖

說明：由于只是對摩擦法蘭的材料參數和尺寸做了修改，不影響聯軸器的其他構件和整體分析模型。因此在分析中仍采用原CAE仿真模型（具體的分析模型、螺栓預緊力、載荷條件、工況等參數設置）。鑄件QT400-18AL的極限拉伸斷裂應力390 MPa，延伸率12%，泊松比0．26，彈性模量169 GPa，密度7．3 t/m3。（數據摘自金屬材料技術手冊）

3．2．6 強度計算結果

對摩擦法蘭材料修改后分別在原尺寸加厚1 mm、2 mm、3 mm、4 mm以及5 mm時的聯軸器進行了強度分析，分析發現在所有改動中摩擦法蘭的最大應力都出現在螺栓口附近，其最大von Mises等效應力如表4所示。

表4 摩擦法蘭修改后的最大等效應力

由于摩擦法蘭在各種修改下具有相似的應力分布，因此以下僅給出加厚3 mm時摩擦法蘭的等效von Mises等效應力分布結果。摩擦法蘭預緊力作用下的應力云紋見圖5，摩擦法蘭在額定扭矩作用下的應力云紋見圖6，摩擦法蘭在打滑力矩作用下的應力云紋見圖7。

圖5 摩擦法蘭預緊力作用下的應力云紋圖

圖6 摩擦法蘭在額定扭矩作用下的應力云紋圖

圖7 摩擦法蘭在打滑力矩作用下的應力云紋圖

3．2．7 結論

結合上述發現，修改后的摩擦法蘭在打滑力矩下的最大等效應力均超過了其屈服極限250 MPa，即摩擦法蘭在打滑力矩下均已損傷失效，無法滿足聯軸器正常工作所需的強度要求。

3.3 材料鍛件Q345-E GB/T 1591-2008

3．3．1 化學成分

鍛件Q345－E的化學成分見表5。

表5 Q345-E化學成分單位：%

3．3．2 力學性能

材料Q345-E的材料性能：屈服應力315 MPa，極限拉伸斷裂應力470～630 MPa，延伸率18%，泊松比 0．3，彈性模量 209 GPa，密度 7．85 t/m3。

3．3．3 問題

錐套也為鍛件材質，兩者相同金屬材質的零件配合，互溶性大，容易發生粘著現象。摩擦系數大，配合面容易發生咬合。做扭矩試驗時容易拉毛。鍛件摩擦法蘭試驗后的表面見圖8。

圖8 鍛件摩擦法蘭試驗后的表面

3．3．4 解決方案 1

摩擦法蘭內孔表面做氮化硼涂層，提高表面耐磨性。經反復試驗，氮化硼涂層附著力非常低，很容易脫落，且摩擦法蘭內孔緊挨摩擦片，脫落的氮化硼粉末很容易污染摩擦片，使聯軸器扭矩限制器失穩。涂覆摩擦法蘭試驗后的表面見圖9。

圖9 涂覆摩擦法蘭試驗后的表面

3．3．5 解決方案 2

對摩擦法蘭內孔表面進行氮化處理，降低摩擦法蘭與錐套間的摩擦系數和粘著力，提高摩擦法蘭表面硬度和抗咬合能力。去除拉傷現象。

對摩擦法蘭內孔表面進行氮化處理。提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和抗咬合性。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被鋼吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴散。氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調質－精加工－氮化。由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強度的心部組織，所以要先進行調質熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機械性能和氮化層質量。鋼在氮化后，不再需要進行淬火便具有很高的表面硬度（大于HV850）及耐磨性。氮化處理溫度低，變形很小，它與滲碳、感應表面淬火相比，變形小得多。

滲氮后經扭矩試驗，力矩限制器無拉傷現象，效果良好。滲氮摩擦法蘭試驗后的表面見圖10。摩擦法蘭滲氮后的金相圖分別見圖11。