李亞鵬，溫 斌， 蘇鳳宇， 程林志， 孟令銳

(許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

風力發(fā)電以其清潔、無污染、建設(shè)周期短、運營成本低等優(yōu)點,現(xiàn)已成為發(fā)展新能源和可再生能源的重點。風力發(fā)電機因常年工作在各類極端惡劣天氣及復雜的風力交變載荷中，其質(zhì)量要求極高[1]。聯(lián)軸器的主要任務(wù)是傳遞增速機轉(zhuǎn)矩，補償增速機與發(fā)電機兩側(cè)的平行偏差和角度誤差，同時具有一定的剛度和阻尼以減少振動傳遞[2]。此外，風力發(fā)電機受外界突變載荷沖擊，當超過聯(lián)軸器設(shè)計打滑力矩時，為防止傳動鏈上的增速機、發(fā)電機因過載而意外損壞，聯(lián)軸器必須具有過載保護功能[3]。

1 聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點

聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)主要包括脹緊套、剎車盤、膜片組、中間管、扭矩限制器等主要部件，如圖1所示。脹緊套用于連接齒輪箱輸出軸和發(fā)電機輸入軸；剎車盤用于和制動器配合實現(xiàn)機組的制動功能；膜片組用于實現(xiàn)聯(lián)軸器的補償功能；玻璃鋼中間管用于傳遞扭矩，并實現(xiàn)發(fā)電機和齒輪箱的電絕緣功能；扭矩限制器通過過載打滑，實現(xiàn)聯(lián)軸器過載保護功能[4]，扭矩限制器的工作原理是利用鎖緊螺母來使彈簧產(chǎn)生彈力，并作用于摩擦片上，鏈輪等輪狀物體被夾在兩片摩擦片之間，由于彈力的作用使得摩擦片和鏈輪間產(chǎn)生摩擦力，從而能傳送扭矩[5-6]。當主動端輸入的扭矩超過設(shè)定閾值時，鏈輪和摩擦片之間產(chǎn)生相對滑動，主動端的扭矩將不能有效傳遞至從動端，進而保護相關(guān)設(shè)備不受損壞。

圖1 聯(lián)軸器安裝示意圖

某臺2 MW風力發(fā)電機機組，現(xiàn)場值班人員發(fā)現(xiàn)該機組頻繁報出0826/0019(發(fā)電機和風輪轉(zhuǎn)速不匹配，發(fā)電機轉(zhuǎn)速低/前后振動峰值過大)故障，檢查發(fā)電機編碼器、滑環(huán)編碼器及主控系統(tǒng)接線無異常，聯(lián)軸器扭矩限制器下方有較多黑色粉末，聯(lián)軸器扭矩限制器已打滑失效。為了查找導致聯(lián)軸器損壞的根本原因，調(diào)取風機故障記錄及前期運行數(shù)據(jù)進行分析。

2 故障原因分析

扭矩限制器是依照摩擦力的原理設(shè)計的。通過在摩擦副的結(jié)合面上施加作用力，使摩擦副之間的靜摩擦力增加，從而達到打滑扭矩的設(shè)定要求(如圖2所示)。扭矩限制器的打滑是摩擦副間的相對機械滑動，因此只有當系統(tǒng)內(nèi)的扭矩超出打滑扭矩設(shè)定值時，才會發(fā)生打滑。在風機運行過程中，造成打滑有以下幾方面的因素。

圖2 扭矩限制器原理圖

2.1 系統(tǒng)扭矩過載

2.1.1輸入扭矩過載

聯(lián)軸器的輸入扭矩直接來自齒輪箱輸出軸，最終影響其大小的是風力載荷波動(中間部分不變)。風力發(fā)電機組對風速進行實時監(jiān)測，并設(shè)計了偏航保護和停機保護控制，在發(fā)生極大風速之前即可發(fā)揮保護功能，避免輸入扭矩過載，此次打滑的聯(lián)軸器打滑扭矩值設(shè)定為20 801 N·m，風機額定扭矩值為13 430 N·m，二者之比為1.548，故在正常工況下，風輪傳遞的扭矩不會超過設(shè)定的打滑扭矩值，在非正常工況下，是有可能存在瞬間過載而導致小角度打滑，因此發(fā)生扭矩過載是不可避免的，所以聯(lián)軸器打滑也是允許的。在這種情況下，聯(lián)軸器會發(fā)生很小角度的打滑(幾十度)，完全不影響其功能。打滑后扭矩限制器表面上的打滑檢視線發(fā)生錯位。由于機組有健全的保護機制，不會發(fā)生持續(xù)過載而導致連續(xù)打滑，故此因素可以排除。

2.1.2阻滯扭矩過載

風機系統(tǒng)中的阻滯扭矩是由發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子間的電磁感應(yīng)效應(yīng)而產(chǎn)生的，與輸入扭矩保持動態(tài)力學平衡。在電網(wǎng)電壓瞬間跌落或發(fā)電機短路時，發(fā)電機會產(chǎn)生過電流和過電壓，從而導致發(fā)電機轉(zhuǎn)矩激增，一旦超過打滑扭矩設(shè)定值，即發(fā)生打滑。故障前后10 s聯(lián)軸器傳遞的扭矩如圖3所示，通過后臺數(shù)據(jù)分析，可以看出打滑時刻的扭矩為10 416 N·m，遠小于出廠時打滑扭矩設(shè)定值20 801 N·m，此時扭矩限制器已經(jīng)開始打滑，說明在發(fā)生打滑前，扭矩限制器的打滑閾值已經(jīng)嚴重下降，為進一步確定扭矩限制器打滑閾值下降的原因，調(diào)取該機組前15天的運行數(shù)據(jù)，對發(fā)電機輸出扭矩進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在機組滿功率運行時刻，聯(lián)軸器傳遞的最大扭矩為10 648 N·m，遠小于出廠時打滑扭矩的設(shè)定值20 801 N·m，故此因素可以排除。

圖3 故障前后10 s聯(lián)軸器傳遞的扭矩

圖4 故障前15天聯(lián)軸器傳遞的扭矩

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量問題

聯(lián)軸器傳遞扭矩未超過扭矩限制器的打滑扭矩設(shè)定值20 801 N·m，在扭矩約為10 416 N·m時開始打滑，說明在發(fā)生打滑前，扭矩限制器的打滑閾值已經(jīng)下降嚴重，故初步判斷為該產(chǎn)品質(zhì)量問題。通過對該產(chǎn)品的設(shè)計方案分析發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品的摩擦片預緊螺栓為平墊結(jié)構(gòu)，如圖5所示，當聯(lián)軸器發(fā)生非正常工況下的小角度打滑時，聯(lián)軸器膜片會因打滑而磨損，進而摩擦片厚度變薄，而此時膜片預緊螺栓采用的是平墊結(jié)構(gòu)，無法補償因磨損而損失的預緊力，導致打滑閾值明顯下降，當下降到一定程度后發(fā)生連續(xù)打滑，進而導致聯(lián)軸器損壞。

3 解決方案

為解決這一問題，本文提出將此處平墊圈改為組合蝶形彈簧墊圈(HDS)結(jié)構(gòu)，如圖6所示，蝶形彈簧墊圈是用于螺栓和螺釘連接的防松墊圈，成圓錐形盤狀，可用于中等強度或高強度螺栓的連接。既可以單個使用，又可以多個串聯(lián)或并聯(lián)使用，在上內(nèi)緣和下外緣處承受沿軸向作用的靜態(tài)或動態(tài)載荷，被壓縮后產(chǎn)生變形，直至被壓平，以儲存能量形式作為活載荷，如圖7所示。蝶形彈簧墊圈優(yōu)點如下：1)剛度大，緩沖吸振能力強，能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場合；2)具有變剛度特性，這種彈簧具有很廣范圍的非線性特性；3)同樣的蝶形彈簧墊圈采用不同的組合方式，能使彈簧特性在很大范圍內(nèi)變化，可采用對合、疊合的組合方式，也可采用不同厚度、不同片數(shù)等的組合方式；4)蝶形彈簧墊圈應(yīng)力分布由里到外均勻遞減，能夠?qū)崿F(xiàn)低行程高補償力的效果；5)當疊合時，相對于同一變形，蝶形彈簧墊圈數(shù)越多則載荷越大等。這些特性決定了它在工業(yè)設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。

圖5 調(diào)整前的扭矩限制器

圖7 單片蝶形彈簧墊圈幾何結(jié)構(gòu)示意圖

風力發(fā)電機機組由于其運行工況的特殊性，導致機組在運行過程中一直存在振動，這種交變的振動加劇了螺栓的松弛速度，而將平墊結(jié)構(gòu)改成3個蝶形彈簧墊圈組合結(jié)構(gòu)后，當螺栓出現(xiàn)松弛時，蝶形彈簧墊圈釋放部分勢能以保持法蘭連接間的壓力要求，從而達到保持打滑力矩不隨螺栓松弛而降低的要求。

4 理論推導

組合蝶形彈簧墊圈由n片規(guī)格相同的蝶形彈簧墊圈組成，片數(shù)n由所要求的最大承載載荷和總變形量決定。在忽略組合蝶形彈簧墊圈各片間摩擦力影響、認為蝶形彈簧墊圈材料為線彈性體且各向同性時，單片蝶形彈簧墊圈載荷P與形變δ的關(guān)系為：

(1)

式中：E為蝶形彈簧墊圈材料彈性模量；μ為蝶形彈簧墊圈材料泊松比；D為蝶形彈簧墊圈外徑；h為蝶形彈簧墊圈最大形變量；t為蝶形彈簧墊圈厚度；k1和k4為計算系數(shù)。

根據(jù)大量疲勞試驗數(shù)據(jù)可知，當安裝平墊結(jié)構(gòu)的扭矩限制器打滑100 000°時，其摩擦副損耗的厚度約為1 mm，摩擦系數(shù)由μY=0.4變?yōu)棣蘗=0.6，而扭矩限制器的打滑扭矩F與連接螺栓的關(guān)系為：

F∝μY×FY

(2)

式中：FY為螺栓預緊力。

設(shè)未發(fā)生任何打滑時，單片蝶形彈簧墊圈所受的載荷為P1，發(fā)生100 000°持續(xù)小角度打滑后，單片蝶形彈簧墊圈所受的載荷為P2，則有：

(3)

式中：δ1為未發(fā)生任何打滑時蝶形彈簧墊圈形變量；δ2為發(fā)生100 000°持續(xù)小角度打滑后蝶形彈簧墊圈形變量。

將蝶形彈簧的相關(guān)參數(shù)代入式(3)，可得：

(4)

設(shè)未發(fā)生任何打滑時，扭矩限制器的打滑扭矩為F1，發(fā)生100 000°持續(xù)小角度打滑后，扭矩限制器的打滑扭矩為F2，將式(4)代入式(2)可得：

(5)

從式(5)可以看出，當扭矩限制打滑100 000°時，由于蝶形彈簧墊的補償作用，使扭矩限制器的打滑扭矩上升了12.5%，明顯改善了打滑扭矩下降的趨勢，有效解決了由于小角度打滑而導致扭矩限制器打滑閾值下降的問題。

5 試驗驗證

根據(jù)理論計算結(jié)果，對兩種結(jié)構(gòu)的扭矩限制器進行試驗驗證，經(jīng)累計打滑100 000°的測試，采用平墊片的結(jié)構(gòu)(舊結(jié)構(gòu))打滑扭矩下降約11%，如圖8所示，而用蝶形彈簧的結(jié)構(gòu)(新結(jié)構(gòu))打滑扭矩上升約14%，如圖9所示，分析試驗結(jié)果可知，在累計打滑100 000°的范圍內(nèi)，新結(jié)構(gòu)的扭矩限制器打滑閾值不會隨著小角度打滑的發(fā)生而下降，相比舊結(jié)構(gòu)的扭矩限制器，新結(jié)構(gòu)的扭矩限制器性能有明顯的提升，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。經(jīng)過改造的扭矩限制器，現(xiàn)場損壞概率大幅度降低。

圖8 舊結(jié)構(gòu)扭矩限制器測試結(jié)果 圖9 新結(jié)構(gòu)扭矩限制器測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文對某款扭矩限制器頻繁損壞的原因進行了分析，從扭矩限制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面排查，指出其設(shè)計缺陷，進而提出改進方案。本文提出的改進方案，能夠有效解決扭矩限制器運行過程中摩擦片受到的預緊力不能及時補償?shù)膯栴}，為后續(xù)聯(lián)軸器改進提供了參考依據(jù)，大幅度降低了現(xiàn)場扭矩限制器損壞的概率。