楊 飛

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司，上海 200233)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器用于連接齒輪箱的輸出軸和發(fā)電機(jī)的輸入軸，將齒輪箱輸出的扭矩傳遞到發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)軸器安裝如圖1所示。

圖1 聯(lián)軸器安裝示意圖

由于聯(lián)軸器的工況復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，因此出現(xiàn)失效的概率比較高。聯(lián)軸器的常見失效形式有頻繁打滑和膜片斷裂。其中，聯(lián)軸器頻繁打滑，超過聯(lián)軸器扭矩限制器允許的打滑次數(shù)，將導(dǎo)致扭矩限制器失效，機(jī)組無法正常運(yùn)行。聯(lián)軸器膜片斷裂，輕則將導(dǎo)致聯(lián)軸器無法傳遞載荷，機(jī)組無法正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致聯(lián)軸器在運(yùn)行過程中甩出，損壞其它部件，造成安全事故。因此，在風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器設(shè)計(jì)過程中，需要了解其應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)要求；在聯(lián)軸器樣件制造完成后，需要進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試驗(yàn)證；在聯(lián)軸器實(shí)際運(yùn)行過程中，需要重點(diǎn)監(jiān)控可能導(dǎo)致聯(lián)軸器失效的因素。如發(fā)現(xiàn)問題，需及時(shí)進(jìn)行整改。

1 膜片式聯(lián)軸器的技術(shù)要求

風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器除了將齒輪箱輸出的扭矩傳遞到發(fā)電機(jī)外，還有補(bǔ)償齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸不對(duì)中和軸向位移、阻止發(fā)電機(jī)軸電流傳遞到齒輪箱、防止驅(qū)動(dòng)鏈各部件扭矩過載的作用。以某1.65 MW風(fēng)電機(jī)組膜片式聯(lián)軸器為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下[1]。

工作扭矩：額定扭矩8.65 kN·m，極限扭矩10 kN·m；角向補(bǔ)償能力：持續(xù)1°，瞬時(shí)3°；徑向補(bǔ)償能力：持續(xù)±9 mm，瞬時(shí)±26 mm；軸向補(bǔ)償能力：持續(xù)±7 mm，瞬時(shí)±20 mm；動(dòng)平衡：G6.3(2 000 r/min，按ISO1940標(biāo)準(zhǔn))；扭矩限制：15 kN·m(1±5%)，打滑1 000次后降低不超過15%；工作轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，極限轉(zhuǎn)速2 300 r/min；絕緣電阻：≥10 MΩ(10K VDC)；環(huán)境溫度：-40 ℃～+50 ℃；濕度：95%；防腐保護(hù)等級(jí)：C3H。

2 膜片式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某1.65 MW膜片式聯(lián)軸器，主要包括：脹緊套、剎車盤、膜片組、玻璃鋼中間管、扭矩限制器等主要部件，見圖2。脹緊套用于連接齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸；剎車盤用于和制動(dòng)器配合實(shí)現(xiàn)機(jī)組的制動(dòng)功能；膜片組用于實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器的補(bǔ)償功能；玻璃鋼中間管用于傳遞扭矩，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和齒輪箱的電絕緣功能；扭矩限制器通過過載打滑，實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器過載保護(hù)的功能。

圖2 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

3 膜片式聯(lián)軸器的測(cè)試驗(yàn)證

聯(lián)軸器樣件制造完成后，需進(jìn)行相關(guān)型式試驗(yàn)，以確認(rèn)聯(lián)軸器的實(shí)際性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)是否相符。以該1.65 MW聯(lián)軸器為例，除了需要進(jìn)行常規(guī)的材料機(jī)械性能測(cè)試和防腐性能試驗(yàn)外，還需要進(jìn)行相關(guān)型式試驗(yàn)，聯(lián)軸器的型式試驗(yàn)主要包括以下內(nèi)容：

(1) 絕緣電阻測(cè)試

聯(lián)軸器的玻璃鋼中間管是實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器電絕緣的關(guān)鍵部件，玻璃鋼中間體制造好后，需要進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，要求玻璃鋼中間體兩端的絕緣電阻不小于10 MΩ(1 000 V DC)。

(2) 動(dòng)平衡試驗(yàn)

聯(lián)軸器整體裝配完成后，要求按ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，要求平衡等級(jí)為G6.3。

(3) 高低溫測(cè)試

高低溫測(cè)試主要是為了測(cè)試玻璃鋼中間管在高低溫環(huán)境下的復(fù)合材料耐高、低溫能力以及粘接性能。測(cè)試時(shí)要求將玻璃鋼中間管放置在高低溫箱中，控制高低溫箱的溫度在-45 ℃～55 ℃溫度范圍內(nèi)變化，連續(xù)8天。8天后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢查，如外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，可進(jìn)行下一步的極限載荷試驗(yàn)和疲勞載荷試驗(yàn)。

(4) 極限載荷試驗(yàn)

極限載荷試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證聯(lián)軸器在同時(shí)承受極限扭矩和極限位移的情況下，承載能力是否能滿足要求。聯(lián)軸器極限載荷試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。聯(lián)軸器完成極限載荷測(cè)試后，需對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行檢查，主要檢查項(xiàng)目有：膜片表面是否有裂紋和變形；聯(lián)軸器中間管是否有裂紋和變形；聯(lián)軸器中間管與連接法蘭之間的粘接是否有脫膠、裂紋等異常；檢查脹緊套螺栓、膜片連接螺栓、扭矩限制器螺栓是否有松動(dòng)；檢查脹緊套等部件是否有異常屈服變形或裂紋。

表1 1.65 MW風(fēng)電機(jī)組膜片式聯(lián)軸器極限載荷試驗(yàn)參數(shù)

(5) 疲勞載荷試驗(yàn)

疲勞載荷試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證聯(lián)軸器在正常運(yùn)行情況下的疲勞載荷承載能力。聯(lián)軸器在正常運(yùn)行過程中，除了受扭矩載荷作用外，還需要受齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸的徑向位移和軸向位移載荷的作用。在聯(lián)軸器疲勞試驗(yàn)時(shí)，除了施加扭矩載荷外，還需要在聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)上施加徑向位移和軸向位移。聯(lián)軸器極限載荷試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。聯(lián)軸器完成極限疲勞測(cè)試后，需對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行檢查，主要檢查項(xiàng)目與極限載荷試驗(yàn)的檢查項(xiàng)目相同。

表2 1.65 MW風(fēng)電機(jī)組膜片式聯(lián)軸器疲勞載荷試驗(yàn)參數(shù)

(6) 打滑扭矩試驗(yàn)

聯(lián)軸器完成疲勞試驗(yàn)后，需要在打滑扭矩標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行打滑扭矩試驗(yàn)。在打滑扭矩標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)上，使聯(lián)軸器打滑100次，記錄每次的打滑扭矩值，要求打滑扭矩波動(dòng)范圍不超過設(shè)定打滑扭矩(15 kN·m)的5%。

4 膜片式聯(lián)軸器的主要失效型式和預(yù)防措施

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況復(fù)雜，在機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行和維護(hù)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器的失效。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，膜片式聯(lián)軸器主要失效形式為扭矩限制器頻繁打滑和膜片斷裂。下面對(duì)這兩種失效形式的原因進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的預(yù)防措施。

4.1 扭矩限制器頻繁打滑原因及預(yù)防措施

扭矩限制器頻繁打滑主要有以下原因：

(1) 聯(lián)軸器頻繁過載

如果聯(lián)軸器過載次數(shù)超過了扭矩限制器的許用打滑次數(shù)，由于摩擦片材料的過度磨損，將導(dǎo)致扭矩限制器的打滑扭矩進(jìn)一步降低，扭矩限制器在額定載荷下也可能會(huì)出現(xiàn)頻繁打滑。

對(duì)于這種情況，需要對(duì)齒輪箱輸出軸的扭矩載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢查并消除造成扭矩載荷過大的原因。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，造成齒輪箱扭矩載荷過大的主要原因有機(jī)組控制不穩(wěn)定造成的轉(zhuǎn)矩大幅度波動(dòng)、發(fā)電機(jī)短路等。

(2) 扭矩限制器打滑扭矩設(shè)定值過低

風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用工況相對(duì)一般的工業(yè)傳動(dòng)機(jī)械有其特殊性，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，受風(fēng)速波動(dòng)的影響很大，其運(yùn)行過程中比一般工業(yè)傳動(dòng)機(jī)械更容易出現(xiàn)扭矩過載的情況，且過載幅度更高。在選取聯(lián)軸器打滑扭矩時(shí)，如果按照一般工業(yè)傳動(dòng)機(jī)械的經(jīng)驗(yàn)選取，打滑扭矩設(shè)定值可能會(huì)過低，機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)聯(lián)軸器頻繁打滑的情況。

在確定扭矩限制器打滑扭矩時(shí)，需要核對(duì)機(jī)組的扭矩疲勞載荷譜，保證打滑扭矩設(shè)定值大于扭矩疲勞載荷譜中的最大值。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般打滑扭矩設(shè)定值為齒輪箱輸出額定扭矩的1.5～1.8倍左右。

(3) 扭矩限制器打滑扭矩標(biāo)定不準(zhǔn)確

扭矩限制器預(yù)緊螺栓上緊時(shí)的摩擦系數(shù)，以及摩擦片的摩擦系數(shù)對(duì)扭矩限制器裝配后的實(shí)際打滑扭矩有很大的影響。如果上述摩擦系數(shù)離散度比較大，會(huì)造成扭矩限制器裝配后的實(shí)際打滑扭矩與理論值偏差很大。實(shí)際打滑扭矩比要求值偏小較多，會(huì)造成聯(lián)軸器頻繁打滑；實(shí)際打滑扭矩比要求值偏大，又起不到過載保護(hù)的作用。

在扭矩限制器裝配完成后，要求將聯(lián)軸器裝在標(biāo)定設(shè)備上進(jìn)行標(biāo)定，如果標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際打滑扭矩與要求值偏差超出允許范圍，需要重新調(diào)整螺栓的上緊扭矩。

4.2 膜片斷裂原因及預(yù)防措施

聯(lián)軸器膜片斷裂主要有以下原因：

(1) 聯(lián)軸器不對(duì)中

在機(jī)組風(fēng)場(chǎng)安裝過程中，當(dāng)葉輪連接到主軸后，風(fēng)輪的重量會(huì)造成齒輪箱高速軸向上抬升。為避免風(fēng)輪安裝后風(fēng)輪重量對(duì)齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸對(duì)中的影響，要求在風(fēng)輪吊裝后，對(duì)齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸進(jìn)行對(duì)中。

齒輪箱和發(fā)電機(jī)都是安裝在橡膠彈性支撐上的，橡膠彈性支撐在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于受到外界溫度、載荷等因素的影響，會(huì)發(fā)生蠕變或者損壞，從而影響齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸的對(duì)中。為避免橡膠彈性支撐蠕變對(duì)齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸對(duì)中的影響，要求機(jī)組每半年維護(hù)時(shí)，重新進(jìn)行對(duì)中，并檢查齒輪箱和發(fā)電機(jī)是否有軸向竄動(dòng)的情況；如果發(fā)現(xiàn)彈性支撐有損壞的現(xiàn)象，需要進(jìn)行更換。

(2) 機(jī)組轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動(dòng)

機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動(dòng)等情況，會(huì)造成膜片的疲勞損傷超出設(shè)計(jì)范圍。為避免機(jī)組轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動(dòng)給膜片造成損傷，應(yīng)在機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)控。如發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩過載或轉(zhuǎn)矩異常波動(dòng)的情況，應(yīng)檢查機(jī)組是否出現(xiàn)扭振或控制異常的情況，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(3) 膜片本身質(zhì)量問題

聯(lián)軸器膜片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受力十分復(fù)雜，既要承受扭矩載荷和聯(lián)軸器中間體的重力載荷，又要承受齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸不對(duì)中產(chǎn)生的位移載荷。膜片本身的質(zhì)量缺陷很容易造成其在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂。因此在膜片制造過程中，需要對(duì)每個(gè)膜片進(jìn)行表面裂紋檢查，同時(shí)對(duì)每個(gè)批次的膜片抽樣進(jìn)行化學(xué)成分、低溫沖擊功、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和金相檢查。

5 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)軸器是整機(jī)中故障率比較高的部件，而且聯(lián)軸器發(fā)生失效后，對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。失效型式和預(yù)防措施，可為其他風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證及降低失效率提供了參考。