（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

2 MW連桿式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

梁君，范華，白潤東

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源得到了飛速發(fā)展，聯(lián)軸器是風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱與發(fā)電機之間的關(guān)鍵部件。文章主要就連桿式聯(lián)軸器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點以及有限元分析計算做了簡要介紹，最后闡述了連桿式聯(lián)軸器在未來的應(yīng)用前景。

風(fēng)力發(fā)電，連桿式聯(lián)軸器，工作原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計，有限元分析

0 引言

風(fēng)能作為新型清潔能源的主流能源，得到了人們的青睞。風(fēng)力發(fā)電更是受到高度重視，在我國乃至全世界經(jīng)歷過一個蓬勃發(fā)展期。市場逐鹿，資源整合，現(xiàn)已進(jìn)入一個平穩(wěn)漸進(jìn)期。風(fēng)電聯(lián)軸器作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，有著廣闊的市場需求和前景。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)外聯(lián)軸器研發(fā)情況對比

聯(lián)軸器作為風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其功能主要有：聯(lián)接齒輪箱高速軸和發(fā)電機軸、傳遞動力、緩沖減振、軸系容錯、電絕緣和力矩過載保護(hù)等。經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)外主要生產(chǎn)聯(lián)軸器的廠家，其中國外廠家占領(lǐng)了國內(nèi)外市場的較大份額。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，主要分為兩類聯(lián)軸器：連桿式聯(lián)軸器（見圖1、2）和膜片式聯(lián)軸器（見圖3、4）。

圖1 連桿聯(lián)軸器1

圖2 連桿聯(lián)軸器2

圖3 膜片聯(lián)軸器1

圖4 膜片聯(lián)軸器2

1.2連桿聯(lián)軸器的工作原理

對于應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機組中的聯(lián)軸器，其工作原理是：齒輪箱高速軸輸出的動力傳入齒輪箱側(cè)無鍵聯(lián)軸器，而剎車盤與齒輪箱側(cè)無鍵聯(lián)軸器聯(lián)接在一起，然后剎車盤通過連桿組（或膜片組）將動力傳遞給中間管軸，接著經(jīng)力矩限制器與另一連桿組（或膜片組）傳給電機側(cè)無鍵聯(lián)軸器，最后電機側(cè)無鍵聯(lián)軸器帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子。位移偏差補償能力是聯(lián)軸器性能高低的最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。連桿式聯(lián)軸器通過連桿中的彈性體襯套的彈性變形和相對轉(zhuǎn)動來補償被聯(lián)接兩軸的相對偏移（軸向、徑向和角偏移）。膜片式聯(lián)軸器通過彈簧膜片組的彈性變形來補償兩軸間的不對中偏差。因此連桿式聯(lián)軸器的特點是補償偏移量更大，連桿強度高，非特殊情況下不會發(fā)生連桿斷裂事故。連桿聯(lián)軸器大位移偏差補償能力的優(yōu)點是：可以將機組位移偏差引起的振動和噪聲降低至最小，軸系反作用降至最低，從而延長機組壽命。

2 連桿式聯(lián)軸器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

2.1連桿聯(lián)軸器的設(shè)計思路

對于連桿式聯(lián)軸器，根據(jù)使用情況，結(jié)合用戶需求，如果采用模塊化的設(shè)計理念，可以提高聯(lián)軸器部套之間的互換性，增強用戶以后在聯(lián)軸器維護(hù)中的便捷性，降低聯(lián)軸器的制造成本與后期維修費用。另外，連桿式聯(lián)軸器的核心部件為連桿組件，其結(jié)構(gòu)型式與數(shù)量決定了連桿式聯(lián)軸器的使用性能與質(zhì)量好壞（即容錯能力等）。四連桿的結(jié)構(gòu)方案（見圖5）經(jīng)過有限元分析計算、結(jié)構(gòu)強度校核，M30的螺栓方能滿足工況要求，而在風(fēng)機狹小的機艙空間中裝配M30的螺栓，操作相當(dāng)不方便。如果修改為小螺栓結(jié)構(gòu)（見圖6），兩端螺栓數(shù)量多達(dá)160顆，裝配非常繁瑣。四連桿結(jié)構(gòu)的橡膠彈性體數(shù)量相對偏少，因此對單個橡膠彈性體的性能要求較高。最終從設(shè)計滿足產(chǎn)品使用性能要求、成本經(jīng)濟(jì)性、制造裝配現(xiàn)場操作便捷性等多方面綜合考慮，六連桿聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更為合理（見圖7）。

圖5 四連桿大螺栓圖

圖6 四連桿小螺栓圖

圖7 六連桿圖

2.2聯(lián)軸器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述的設(shè)計思路，可以確定連桿式聯(lián)軸器的主要零部件最終尺寸與裝配結(jié)構(gòu)型式。而連桿聯(lián)軸器主要由測速盤、齒輪箱側(cè)脹緊套、中間管軸組件、連桿組件、電機側(cè)脹緊套等部件組成，如圖8、9所示。

圖8 六連桿三維圖

圖9 六連桿整體結(jié)構(gòu)圖

3 連桿組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1連桿設(shè)計

連桿組件主要由彈性擋圈、橡膠襯套、連桿體、螺栓及墊片組成（見圖10）。連桿聯(lián)軸器中軸向、徑向及角向的不對中偏差，主要是通過連桿組件中的兩個球形橡膠襯套繞其軸線旋轉(zhuǎn)和彈性體的一些變形來實現(xiàn)補償消化。連桿的強度高于膜片，面向更高功率的機組，比如2.5 MW、3 MW等，連桿式聯(lián)軸器有更大的升級空間。

圖10 連桿組件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2連桿軸向剛度計算

由于彈性襯套的軸向剛度遠(yuǎn)大于其偏轉(zhuǎn)剛度，因此聯(lián)軸器整體的軸向剛度主要由彈性襯套的偏轉(zhuǎn)剛度確定，聯(lián)軸器軸向形變通過連桿繞球形襯套偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。測得彈性襯套偏轉(zhuǎn)剛度Ca=20 Nm/°，連桿中心孔距L=106.12 mm，連桿軸向偏轉(zhuǎn)1 mm所轉(zhuǎn)的角度為：tanθ=1/106.12，得θ=0.54°。

聯(lián)軸器整體軸向剛度為Ω，由單個連桿的偏轉(zhuǎn)剛度：Ca=Ω/6/0.5×0.106 12/0.54°=20 Nm/°，得Ω= 305 N/mm=0.305 kN/mm。

3.3軸向偏差補償能力計算（彈性襯套偏轉(zhuǎn)角度）

聯(lián)軸器整體要求軸向偏差補償能力δ=±10 mm，計算單個連桿（彈性襯套）所需要的偏轉(zhuǎn)角度。

已知單個連桿所需形變δ0=δ/2=5 mm，連桿長度L=106.12 mm，則偏轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：Tanθ=δ0/L= 5/106.12,得θ=2.7°。即彈性襯套的偏轉(zhuǎn)角度至少需要2.7°。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，襯套實際工作的偏轉(zhuǎn)角可達(dá)6°，此時軸向補償能力為±22 mm。

本文介紹的聯(lián)軸器的連桿結(jié)構(gòu)是兩端球形，通過兩球形端同時偏轉(zhuǎn)變形來實現(xiàn)軸向位移補償（見圖11）。一般球形襯套的偏轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)剛度接近，軸向最大補償能力基本均由其球形襯套偏轉(zhuǎn)剛度確定，因此兩端球形的連桿結(jié)構(gòu)軸向補償能力較大。同時兩端球形的連桿結(jié)構(gòu)通過兩球形端同時扭轉(zhuǎn)變形來實現(xiàn)徑向位移補償，因此該結(jié)構(gòu)更容易同時實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)來補償徑向偏差。

圖11 連桿軸向補償示意圖

4 有限元分析計算結(jié)論

圖12 整體靜力分析模型網(wǎng)格

圖14 整體應(yīng)力分析云圖

圖15 整體模態(tài)分析模型網(wǎng)格

圖16 第10階模態(tài)振型

圖17 第20階模態(tài)振型

圖18 連桿疲勞分析結(jié)果

圖19 摩擦片疲勞分析結(jié)果

圖20 中間管疲勞分析結(jié)果

本文介紹的2 MW連桿式聯(lián)軸器經(jīng)過有限元分析計算，該結(jié)構(gòu)性能滿足工況要求。電機側(cè)、齒輪箱側(cè)脹套均滿足最大扭矩33.12 kN·m的要求；剎車盤、電機側(cè)脹緊套內(nèi)螺栓均選用螺栓級別為8.8；靜力分析結(jié)果小于屈服強度極限（見圖12～14），剛度滿足風(fēng)電機組要求（見圖15～17）；設(shè)計壽命為20年的疲勞分析結(jié)果，安全系數(shù)較高（見圖18～20）。

5 連桿式聯(lián)軸器的應(yīng)用前景

風(fēng)電市場急劇發(fā)展到現(xiàn)在，面對市場競爭和成本經(jīng)濟(jì)性壓力的日益增大，越來越多的風(fēng)機制造商將轉(zhuǎn)向生產(chǎn)2.0 MW及以上大功率的風(fēng)機。2.0 MW及以上系列化風(fēng)電聯(lián)軸器的成功研制，不僅提高了公司風(fēng)機全面國產(chǎn)化率，進(jìn)行技術(shù)儲備，而且可配備國內(nèi)其他風(fēng)機制造商生產(chǎn)的風(fēng)機，給公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]周明衡.聯(lián)軸器選用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[2]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]王亞平,顧笑然,劉文松,等.機械工程師[A].中國機械工程學(xué)會,2014,11:25-38.

[4]劉洪文.材料力學(xué)[M].北京:北京高等教育出版社,2002.

Structural Design of 2 MW Link Coupling

Liang Jun,Fan Hua,Bai Rundong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

As a clean energy,wind power generation has a rapid development.Coupling is the key component connecting gearbox with generator in the wind turbine.The link coupling working principle,structural design features and finite element analysis are mainly in?troduced in this paper.Finally,the application prospect of the link coupling in the future is discussed.

wind power generation，link coupling，working principle，structural design，finite element analysis

TH133

A

1674-9987（2016）04-0075-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.016

梁君（1981-），女，碩士，工程師，畢業(yè)于西南科技大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)，主要從事機械設(shè)計、新產(chǎn)品開發(fā)等研究工作。