2 MW連桿式聯軸器的結構設計研究

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

2 MW連桿式聯軸器的結構設計研究

梁君，范華，白潤東

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

風力發電作為清潔能源得到了飛速發展，聯軸器是風力發電機組中的齒輪箱與發電機之間的關鍵部件。文章主要就連桿式聯軸器的工作原理、結構設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軸器在未來的應用前景。

風力發電，連桿式聯軸器，工作原理，結構設計，有限元分析

0 引言

風能作為新型清潔能源的主流能源，得到了人們的青睞。風力發電更是受到高度重視，在我國乃至全世界經歷過一個蓬勃發展期。市場逐鹿，資源整合，現已進入一個平穩漸進期。風電聯軸器作為風力發電設備的關鍵部件之一，有著廣闊的市場需求和前景。

1 國內外研究現狀

1.1國內外聯軸器研發情況對比

聯軸器作為風力發電機組傳動系統中的關鍵部件，其功能主要有：聯接齒輪箱高速軸和發電機軸、傳遞動力、緩沖減振、軸系容錯、電絕緣和力矩過載保護等。經過調研國內外主要生產聯軸器的廠家，其中國外廠家占領了國內外市場的較大份額。根據結構設計特點，主要分為兩類聯軸器：連桿式聯軸器（見圖1、2）和膜片式聯軸器（見圖3、4）。

圖1 連桿聯軸器1

圖2 連桿聯軸器2

圖3 膜片聯軸器1

圖4 膜片聯軸器2

1.2連桿聯軸器的工作原理

對于應用在風力發電機組中的聯軸器，其工作原理是：齒輪箱高速軸輸出的動力傳入齒輪箱側無鍵聯軸器，而剎車盤與齒輪箱側無鍵聯軸器聯接在一起，然后剎車盤通過連桿組（或膜片組）將動力傳遞給中間管軸，接著經力矩限制器與另一連桿組（或膜片組）傳給電機側無鍵聯軸器，最后電機側無鍵聯軸器帶動發電機轉子。位移偏差補償能力是聯軸器性能高低的最重要的技術指標之一。連桿式聯軸器通過連桿中的彈性體襯套的彈性變形和相對轉動來補償被聯接兩軸的相對偏移（軸向、徑向和角偏移）。膜片式聯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生連桿斷裂事故。連桿聯軸器大位移偏差補償能力的優點是：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 連桿式聯軸器的整體結構設計研究

2.1連桿聯軸器的設計思路

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

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

圖8 六連桿三維圖

圖9 六連桿整體結構圖

3 連桿組件結構設計

3.1連桿設計

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和彈性體的一些變形來實現補償消化。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，連桿式聯軸器有更大的升級空間。

圖10 連桿組件結構示意圖

3.2連桿軸向剛度計算

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

聯軸器整體軸向剛度為Ω，由單個連桿的偏轉剛度：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（彈性襯套偏轉角度）

聯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，則偏轉角θ的關系為：Tanθ=δ0/L= 5/106.12,得θ=2.7°。即彈性襯套的偏轉角度至少需要2.7°。

根據實驗數據，襯套實際工作的偏轉角可達6°，此時軸向補償能力為±22 mm。

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

圖11 連桿軸向補償示意圖

4 有限元分析計算結論

圖12 整體靜力分析模型網格

圖14 整體應力分析云圖

圖15 整體模態分析模型網格

圖16 第10階模態振型

圖17 第20階模態振型

圖18 連桿疲勞分析結果

圖19 摩擦片疲勞分析結果

圖20 中間管疲勞分析結果

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

5 連桿式聯軸器的應用前景

風電市場急劇發展到現在，面對市場競爭和成本經濟性壓力的日益增大，越來越多的風機制造商將轉向生產2.0 MW及以上大功率的風機。2.0 MW及以上系列化風電聯軸器的成功研制，不僅提高了公司風機全面國產化率，進行技術儲備，而且可配備國內其他風機制造商生產的風機，給公司帶來一定的經濟和社會效益。

[1]周明衡.聯軸器選用手冊[M].北京:化學工業出版社,2001.

[2]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2005.

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

[4]劉洪文.材料力學[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，畢業于西南科技大學機械制造及其自動化專業，主要從事機械設計、新產品開發等研究工作。