不同型式聯軸節對傳動系統起停工況扭矩影響的試驗研究

摘 要：某設備通過取力發電形式提供大功率交流電源，該設備試用初期，發電機驅動系統動力傳遞線路上的40kW發電機輸出齒輪發生輪齒早期損傷。初步分析認為是異常沖擊力過大引起早期損傷，而非正常的疲勞破壞。但沖擊載荷來自何處？有多大？理論計算或分析均無法回答，由此設計了發電機驅動系統模擬臺架試驗，在模擬實際工況下進行兩種聯軸節在起停工況下的載荷測試，以獲得實際沖擊載荷的大小，為改進措施提供依據。

關鍵詞：力矩限制器;彈性聯軸節;起停;試驗研究

1 ?發電機驅動系統及載荷分析

40kW發電機（簡稱發電機）驅動系統是動力從發動機傳遞到發電機的整個傳遞線路的總稱，它依次包含發動機、彈性聯軸節、動力分配器、彈性聯軸節，最后驅動發電機。其中彈性聯軸節吸收扭轉振動并適應微小角度的對中偏差;動力分配器按固定傳動比增速并實現垂直軸之間的動力傳遞。

動力分配器的功能是把發動機輸出的扭矩根據設備旋轉方向和轉速的要求分成5路，其中40kW發電機負載最大、轉動慣量最大，風扇輸出口負載也較大，但其由液壓離合器帶動，沖擊很小，其它輸出口均為小負載。

對損傷齒輪理化分析得知，齒輪的材料、熱處理等力學特性均符合設計要求，經顯微鏡放大檢查和探傷也未發現疲勞破壞的典型跡象，初步分析損壞模式為沖擊損傷，而非疲勞損傷。

對驅動系統所有可能的工況進行分析和歸類，具有沖擊損傷的工況有如下兩種：1）發動機帶著發電機起動，2）發動機帶著發電機停機。

2 ?試驗方案及測試結果分析

a.模擬臺架試驗臺方案

要進行發電機輸出齒輪實際承受扭矩載荷的測試，需在該輸出齒輪與發電機之間串連扭矩傳感器，因結構原因在實際裝備上無法開展，只有在臺架上進行試驗。而要獲得與實際裝備盡可能一致的測試數據，試驗平臺結構配置應盡可能地與實際產品保持一致，即模擬臺架上傳動線路上的旋轉元件轉動慣量盡可能與實際裝備相當。

動力分配器的發電機輸出口依次連接扭矩傳感器、兩種不同型式彈性聯軸節（原普通彈性聯軸節、帶力矩限制器的彈性聯軸節）、發電機，風扇輸出口安裝和實際產品一致的風扇，其余輸出口負載極小不安裝。

40kW電源控制系統應提供40kW發電機及閉合的供電系統，可以實現調速、發電、加載等功能。穩態工況電負載與實際裝備相同，即15kW電機起動、模擬40kW電負載。

該試驗系統能夠測試驅動系統各工況下發電機輸出齒輪上的實際承受載荷，所有測試參數信號從扭矩傳感器經智能測試儀、磁帶機到計算機，進行數據采集、處理后即可獲得發電機輸出齒輪上的扭矩隨時間的變化曲線。

b. 主要試驗、測試設備

傳感器：選用AKC-215-B型動態扭矩轉速傳感器，該傳感器可實現非接觸供電與信號傳輸，適合連續、高速轉動測量。傳感器頻率信號輸出為0～5V.TTL電平方波信號，扭矩頻率輸出范圍為5～20K（Hz），轉速頻率輸出范圍為0～5K（Hz）。

帶力矩限制器的彈性聯軸節：選用KTR公司力矩限制器，可調整力矩范圍為50～280Nm。

c. 試驗程序及試驗結果分析

試驗程序按如下順序進行：測試系統開機→結合40kW發電機→起動發動機至怠速→發動機停機。每一步驟穩定后間隔10s后進入下一步。

兩種彈性聯軸節在兩種工況下輸出齒輪上測得的沖擊扭矩值統計見表1。

由此得出如下分析結論：

（1）在發動機起、停兩種工況下，連接帶力矩限制器的彈性聯軸節時輸出齒輪上沖擊扭矩均遠遠小于連接彈性聯軸節時輸出齒輪上相應沖擊扭矩。在發動機停機工況下，1234N.m相比525N.m，其最大差值可達2倍以上，說明帶力矩限制器的彈性聯軸節緩沖吸振能力更強。

（2）檢查力矩限制器在起動和停機工況下其摩擦片只發生微量打滑，最大打滑量大約1/25圈，未能連續持續打滑，說明沖擊載荷作用時間極短，但能很好地起到消弱沖擊載荷峰值的作用。

根據上述分析結論，停機工況沖擊載荷是造成輕微損傷的主要原因。

設計時，輸出齒輪按最大功率40kW、額定轉速1600r/min、安全系數2.5設計。因此計算額定負載為238N.m、最大扭矩為595N.m。在額定功率工況下，理論計算值小于表1內所有數值，完全滿足要求，但在帶發電機起、停工況下，連接原彈性聯軸節時的沖擊扭矩均超過了最大扭矩值，尤其帶發電機停機工況下，最大值達到了最大扭矩值的2倍以上，因此，早期損傷是不可避免的。

d. 技術改進措施

用帶力矩限制器的彈性聯軸節代替原彈性聯軸節，它能夠傳遞系統正常工作所需要的扭矩，通過內置的彈性元件吸收扭轉振動，并通過力矩限制器中摩擦離合器的打滑來消弱降低沖擊載荷峰值，使得起、停工況下的沖擊載荷均小于設計最大扭矩值。

進一步設想，如果能在輸出齒輪上設置切換裝置，可以進行該齒輪的結合和斷開操作，以實現順序停機，即在發電機和動力分配器未斷開狀態下，發動機不能熄火停機，只有在斷開狀態下才能停機，這樣就可消除停機工況下的沖擊載荷，使齒輪工作可靠性大大提高。該功能可設計一套控制系統來實現。

3 ?結論

（1）發電機輸出齒輪輪齒早期損傷是由于發動機帶著發電機起停工況下，發電機轉子較大轉動慣量急停引起的沖擊載荷，此沖擊載荷超過了齒輪設計最大允許值。

（2）采用帶力矩限制器的彈性聯軸節，可以大大降低起停工況下的沖擊載荷，提高齒輪工作可靠性。

參考文獻：

[1]成大先 ?機械設計手冊第四版第3卷 ?化學工業出版社，2016

[2]方永壽 ?某設備動力分配器齒輪損傷沖擊載荷試驗報告 ?航天科工集團206所，2012