秦中正; 彭浩坤; 陆响; 胡伟辉; 林胜; 陈刚
【期刊名称】《《机械研究与应用》》
【年(卷),期】2019(032)005
【总页数】4页(P79-81,88)
【关键词】扭矩限制器; 联轴器; 风电; 过载保护
【作 者】秦中正; 彭浩坤; 陆响; 胡伟辉; 林胜; 陈刚
【作者单位】株洲时代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007
【正文语种】中 文
【中图分类】TK83
0 引 言
大型风力发电机组在运行过程中，电机短路以及低电压穿越会导致瞬间载荷过大。为减少瞬间冲击扭矩对传动系统的损伤，高速轴联轴器中设置了具有过载保护功能的机械式扭矩限制器(或称为安全离合器)。
工业领域常用的机械式扭矩限制器包括滚珠式、铜套式、摩片式等结构的扭矩限制器。滚珠式结构在打滑时，主被动侧分离，通常需手动复位才可继续使用；铜套式摩擦环与胀套(或锁紧盘)组合使用，通过螺栓提供的轴向载荷控制打滑阀值，不能在出厂前进行扭矩设定，打滑扭矩精度低；因此，上述两款类型的扭矩限制器结构不适用于免重启、高精度的要求的风力发电机组传动系统。摩片式扭矩限制器打滑过程中，切断过大载荷，并能继续传递扭矩，不需额外的复位动作[1]，可出厂前进行精确的扭矩标定。因此，摩片式扭矩限制器被广泛应用于风电机组中。 昆虫组合承擦式结构的对偶摩擦面处于干摩擦状态，其打滑过程是无润滑剂条件下的滑动摩擦。在进行扭矩限制器的结构设计时，可采用古典滑动摩擦理论进行近似工程计算。但在实际应用中，滑动摩擦的影响因素众多，如接触表面接触几何特征、法向载荷大小、表面层物理性质、滑动速度、温度状况、以及介质的化学作用等。因此，扭矩限制器需要通过试验的方法来确认打滑阀值。
1 典型结构组成
常见的风电用扭矩限制器内置于高速轴联轴器的玻璃钢中间管中。典型结构如图1所示。
图1 扭矩限制器典型结构局部示意图1.连接法兰 2.摩擦片 3.对偶法兰 4.密封圈 5.压紧法兰 6.弹性销 7.调节螺栓 8.蝶形弹簧
由连接法兰、压紧法兰、摩擦片、对偶盘、调节螺栓、碟形弹簧、弹性销等部件组成。拧紧调节螺栓后，螺栓上的预紧载荷作用到摩擦片上，通过摩擦副之间的摩擦系数，将螺栓预紧载荷转换为扭矩限制器的打滑扭矩。
扭矩限制器的核心部件为摩擦片，常见的摩擦材料为铜基粉末冶金[2]或树脂基摩擦片。铜基粉末冶金摩擦片具有耐高温、高强度、低磨耗、低摩擦系数等特点。树脂基摩擦片具有摩擦系数高、预磨性能好、成本低、便于控制等特点。
2 打滑阀值设计方法
扭矩限制器的打滑阀值是设计的最终目标。当传动系统中的扭矩超过打滑阀值时，对偶摩擦面相对滑动，切断过大的载荷。
设打滑扭矩目标阀值为T，摩擦片的内外半径尺寸R1、R2。典型结构中使用两个摩擦片，对偶面数Z=2。过载打滑时两个摩擦片共同承担扭转载荷。根据对偶面的静摩擦系数，可得出摩擦片不滑动时所需保持的压强。通过计算获得紧固螺栓所需提供的轴向预紧载荷F，选用相匹配的碟簧。
atp系统扭矩限制器的打滑扭矩与压强相互间存在如下关系[3]：
(1)
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将公式(1)进行简化，可得：
(2)
组装完成后，两个摩擦片在轴向承受相等的载荷，该载荷由紧固螺栓提供。因此，调节螺栓所需提供的载荷与摩擦片上的压强存在如下关系：
F总
(3)
机组传动系统在工作过程中，可能存在不期望的振动，导致螺栓松动。因此，可采用额外的防松措施提高产品的可靠性。
3 许用打滑角度
3.1 扭矩限制器适用工况
各风电主机厂基于实际应用中的经验，对扭矩限制器的打滑角度提出了要求。随着要求打滑角度增大，摩擦片及碟簧的性能要求也越高。但需要注意的是，扭矩限制器仅适用于瞬间打滑的保护，如出现持续过载，在监控系统识别出联轴器两端速度差(通常速度差识别为50～100 r/min)，并进行紧急制动期间，扭矩限制器可能已因打滑行程过大，出现失效。
因此，主机厂在选用扭矩限制器时，应考虑足够的安全余量，避免扭矩限制器的打滑范围与传动链载荷的上限值发生交叉。另一方面需要对机组的振动控制进行优化，如传动链系统中加阻控制策略、转矩保持控制策略，使传动链平稳，避免瞬间过大载荷波动[4]。
3.2 许用打滑角度的校核
扭矩限制器的许用打滑角度，与其打滑过程中做的滑摩功、摩擦片的磨耗系数、以及蝶形弹簧的弹性特性有关。
摩擦片在过载保护过程中，厚度方向逐渐磨损，因此需选用碟形弹簧或其他弹簧进行间隙补偿。假设要控制整个扭矩限制器的扭矩打滑阀值降低不超过15%，则可通过碟形弹簧的对应的载荷-位移曲线，获得允许的碟形弹簧最大变形量h允许。
扭矩限制器在满足打滑弧度α的工作要求时，打滑力矩T在打滑过程中所做滑摩功W为：
W=T·α
(4)
贝尔实验室根据摩擦材料的磨损率Kw，摩擦片的摩擦面积A，可计算得出做功过程中摩擦片的磨损厚度h：
叶之枫h=W·Kw/A
(5)
理论设计时，蝶形弹簧允许的变形h允许应大于打滑达到打滑弧度α时，摩擦片的磨损厚度h。
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4 外置式扭矩限制器设计
根据上述扭矩限制器的设计理论及打滑次数校核方法，对一款外置式扭矩限制器进行设计。
相比典型结构的扭矩限制器集成在玻璃钢中间管内，外置式扭矩限制器与玻璃钢中间管为独立的两个部件。扭矩限制器在打滑过程中，即使出现不期望的摩擦升热，对玻璃钢与金属的粘接区域也不会造成影响。外置式扭矩限制器的外型结构如图2所示。
图2 外置式扭矩限制器示意图1.连接法兰 2.摩擦片 3.联接盘 4.调节螺栓 5.蝶形弹簧 6.压紧法兰
5 扭矩限制器性能验证
5.1 摩擦材料的性能特点
按照GB/T 3960塑料滑动摩擦磨损试验方法，对某树脂基摩擦材料进行摩擦系数测试。试验时示意图如图3所示，其中摩擦材料试块为长条状，试验圆环为45#钢。
图3 摩擦性能测试示意图
如图4所示，通过测试过程曲线显示，摩擦材料的摩擦系数出现3个明显阶段：①急剧增大阶段；②趋于稳定阶段；③缓慢下降阶段。文献[5]对摩擦片进行试验，也得出类似结论。
图4 摩擦系数曲线
5.2 扭矩标定及耐磨性能测试
扭矩限制器组装完成后，采用十字交叉法分布拧紧调节螺栓，使其均匀加载。然后对样品进行耐磨疲劳打滑测试。打滑过程中，不对螺栓进行任何调整，一共进行了65000°的打滑测试(包括预摩阶段)。该扭矩限制器允许的扭矩打滑范围为24×(1±15%)kNm。
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