白潤東，黃滔

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

某型風(fēng)電聯(lián)軸器的力矩限制器
——拉傷解決方法

白潤東，黃滔

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

從聯(lián)軸器力矩限制器原理、結(jié)構(gòu)入手，針對力矩限制器中零件在扭矩試驗(yàn)中拉傷問題，通過采用不同材質(zhì)、加工工藝等對其進(jìn)行大量試驗(yàn)，有效解決了力矩限制器中鍛件之間的拉傷問題。

聯(lián)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(fēng)電聯(lián)軸器在樣件實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)力矩限制器中摩擦法蘭內(nèi)孔和錐套2外圓接觸部位容易產(chǎn)生拉傷現(xiàn)象。同時考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況。從摩擦法蘭材質(zhì)、加工工藝等著手，經(jīng)過一系列試驗(yàn)探索和研究，最終解決了力矩限制器的拉傷問題。

1 風(fēng)電聯(lián)軸器的作用

風(fēng)電聯(lián)軸器是用來聯(lián)接齒輪箱高速軸和電機(jī)軸之間的機(jī)械零件。起傳遞扭矩、緩沖、減振、絕緣、過載保護(hù)和提高軸系動態(tài)性能的作用。

2 力矩限制器的結(jié)構(gòu)

聯(lián)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(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。力矩限制器的結(jié)構(gòu)原理見圖1。

旋轉(zhuǎn)1

當(dāng)風(fēng)機(jī)傳動鏈中傳遞的扭矩超過力矩限制器的標(biāo)定扭矩時，力矩限制器會發(fā)生打滑，對整個風(fēng)機(jī)傳動鏈進(jìn)行有效的過載保護(hù)。

3 原因分析及試驗(yàn)方法

圖2 聯(lián)軸器扭矩試驗(yàn)

圖3 拉傷的摩擦法蘭表面

通過對聯(lián)軸器力矩限制器進(jìn)行扭矩試驗(yàn)（見圖2），發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器力矩限制器中摩擦法蘭在扭矩試驗(yàn)中存在拉傷現(xiàn)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(yùn)動中擠壓拉傷。

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

經(jīng)反復(fù)檢查確認(rèn)和試驗(yàn)，各零件幾何尺寸、形位公差和表面光潔度符合設(shè)計(jì)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(zhì)和加工工藝來降低摩擦系數(shù)，提高摩擦副的抗咬合能力，去除表面拉傷現(xiàn)象。

3.1 材料QT600-3 GB/T 1348-1988

3．1．1 化學(xué)成分

QT600-3化學(xué)成分見表1。

表1 QT600-3化學(xué)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(zhì)改為鑄件QT600-3。其具有良好的耐磨性且條件屈服強(qiáng)度為360 MPa，滿足使用要求；經(jīng)扭矩試驗(yàn)，內(nèi)孔無拉傷現(xiàn)象。但其伸長率較差，經(jīng)低溫沖擊試驗(yàn)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(xué)性能見表2。

表2 QT600-3力學(xué)性能

3.2 材料QT400-18AL GB/T 1348-1988

3．2．1 化學(xué)成分

QT400-18AL化學(xué)成分見表3。

表3 QT400-18AL化學(xué)成分單位：%

3．2．2 金相組織

金相組織：鐵素體。

3．2．3 該材質(zhì)曾應(yīng)用于1．5 MW風(fēng)電聯(lián)軸器摩擦法蘭，有優(yōu)良的力學(xué)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(fēng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境工況。

3．2．4 問題

鑄件QT400-18AL的材料屈服強(qiáng)度相對較弱，條件屈服強(qiáng)度為250 MPa，小于摩擦法蘭最大vonMises應(yīng)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(dá)到強(qiáng)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(qiáng)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(shù)和尺寸做了修改，不影響聯(lián)軸器的其他構(gòu)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(yù)緊力、載荷條件、工況等參數(shù)設(shè)置）。鑄件QT400-18AL的極限拉伸斷裂應(yīng)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(shù)據(jù)摘自金屬材料技術(shù)手冊）

3．2．6 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)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(lián)軸器進(jìn)行了強(qiáng)度分析，分析發(fā)現(xiàn)在所有改動中摩擦法蘭的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在螺栓口附近，其最大von Mises等效應(yīng)力如表4所示。

表4 摩擦法蘭修改后的最大等效應(yīng)力

由于摩擦法蘭在各種修改下具有相似的應(yīng)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(yīng)力分布結(jié)果。摩擦法蘭預(yù)緊力作用下的應(yīng)力云紋見圖5，摩擦法蘭在額定扭矩作用下的應(yīng)力云紋見圖6，摩擦法蘭在打滑力矩作用下的應(yīng)力云紋見圖7。

圖5 摩擦法蘭預(yù)緊力作用下的應(yīng)力云紋圖

圖6 摩擦法蘭在額定扭矩作用下的應(yīng)力云紋圖

圖7 摩擦法蘭在打滑力矩作用下的應(yīng)力云紋圖

3．2．7 結(jié)論

結(jié)合上述發(fā)現(xiàn)，修改后的摩擦法蘭在打滑力矩下的最大等效應(yīng)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(lián)軸器正常工作所需的強(qiáng)度要求。

3.3 材料鍛件Q345-E GB/T 1591-2008

3．3．1 化學(xué)成分

鍛件Q345－E的化學(xué)成分見表5。

表5 Q345-E化學(xué)成分單位：%

3．3．2 力學(xué)性能

材料Q345-E的材料性能：屈服應(yīng)力315 MPa，極限拉伸斷裂應(yīng)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(zhì)，兩者相同金屬材質(zhì)的零件配合，互溶性大，容易發(fā)生粘著現(xiàn)象。摩擦系數(shù)大，配合面容易發(fā)生咬合。做扭矩試驗(yàn)時容易拉毛。鍛件摩擦法蘭試驗(yàn)后的表面見圖8。

圖8 鍛件摩擦法蘭試驗(yàn)后的表面

3．3．4 解決方案 1

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

圖9 涂覆摩擦法蘭試驗(yàn)后的表面

3．3．5 解決方案 2

對摩擦法蘭內(nèi)孔表面進(jìn)行氮化處理，降低摩擦法蘭與錐套間的摩擦系數(shù)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(xiàn)象。

對摩擦法蘭內(nèi)孔表面進(jìn)行氮化處理。提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強(qiáng)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(kuò)散。氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調(diào)質(zhì)－精加工－氮化。由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強(qiáng)度的心部組織，所以要先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機(jī)械性能和氮化層質(zhì)量。鋼在氮化后，不再需要進(jìn)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(yīng)表面淬火相比，變形小得多。

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

圖10 滲氮摩擦法蘭試驗(yàn)后的表面

圖11 滲氮金相圖

4 結(jié)論

（1）力矩限制器中摩擦法蘭與錐套 2均為Q345-E鍛件，相同金屬之間的互溶性大，旋轉(zhuǎn)摩擦副容易發(fā)生粘著現(xiàn)象，使摩擦系數(shù)增大，配合面發(fā)生咬合，零件表面拉傷。

（2）摩擦法蘭材質(zhì)由之前Q345-E鍛件改為球墨鑄鐵，可降低摩擦系數(shù)，去除拉傷現(xiàn)象，但球墨鑄鐵屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能較弱，無法滿足使用強(qiáng)度要求。

（3）對摩擦法蘭內(nèi)孔表面做氮化硼涂層處理，提高了零件的耐磨性，但此涂層附著力低，易脫落。在使用中脫落的氮化硼易污染力矩限制器，使力矩限制器失效，故不予以采用。

（4）對摩擦法蘭（Q345-E鍛件）內(nèi)孔表面進(jìn)行滲氮處理，使其具有高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合性和抗蝕性。滲氮過程在鋼的相變溫度以下（450～600℃）進(jìn)行，因而變形小。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滲氮后的摩擦法蘭滲氮層薄，不影響零件內(nèi)部力學(xué)性能，且滿足工件表面使用要求。

[1]機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)編委會.機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

Strain Solution of Torque Limiter for a Wind Power Coupling

Bai Rundong，Huang Tao
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TH133

A

1674-9987（2017）03-0076-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.017

白潤東 （1986-），男，工程師，主要從事風(fēng)電產(chǎn)品的研制、汽輪機(jī)閥芯零部件的加工等工作。