联轴器的应用

国产化联轴器在风力机组中的应用一．前言任何设备，在设计过程中，都要根据设备实际的运行工作环境，考虑设备使用寿命，但设备实际的运行寿命与设计寿命，存在很大差距，作为风力发电机组一般设计寿命为20年，是一个比较笼统的设计概念，一九八九年在我场安装的BOUNS150千瓦风机，至今已经运行15年，整机运行良好，但是，许多机械及电气零部件已经趋于老化，需要定期检查、更换，增加了运行维护费用，因此，为了保证机组正常运行并尽可能较长的延长机组的寿命，除了考虑整机设计达到比较高的可靠度外，风力机组其它机械零部件的设计同样也要可靠，特别是在能量传递过程中起到主要作用传动部件。

在风力发电初期，我国主要是引进国外风力机组，风机运行至今，部分零部件已经趋于老化，需要更换，如果继续使用国外生产的零部件，首先，国外厂家对有些零部件已经停止生产，其次，购买费用较贵，因此，用国产化风力机组零部件代替国外风力机组零部件，不仅，可以对我们进一步掌握老外在设计风力机组时的设计理念有帮助，而且，可以节省购买费用。

二．联轴器在风力发电机组中的主要应用形式风力机组在传递能量工程中，由于叶轮吸收的能量是随着风能的大小在时刻改变，因此经常会产生不稳定的力作用在齿轮箱和发电机上，一部分能量被齿轮箱和发电机支撑底座吸收，另一部分，则被连接齿轮箱和发电机的联轴器吸收，因此风力机组联轴器不仅可以实现能量传递，而且可以起到减震作用。

在风力发电机组中，联轴器应用较为广泛，它主要作用是联接两轴或回转件，在传递运动和转矩过程中一同回转而不脱开的一种装置，在传动过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的共性功能，风力发电机组中常采用刚性联轴器、扰性联轴器和安全联轴器（或万向联轴器）三种方式。

➢刚性联轴器是由刚性传动件构成，各联接件之间不能相对运动，因此不具备补偿两轴线相对偏移的能力，只适用于被联接的两轴在安装时对中性好工作时不产生两轴相对偏移的场合，刚性联轴器无弹性元件，不具备减震和缓冲功能，一般只适用于载荷平稳并无冲击振动的工况条件。

➢扰性联轴器根据所用材料不同分为无弹性元件、金属弹性元件和非金属弹性元件三种。

风力发电机组常用非金属弹性元件扰性联轴器，它具有弹性模量变化范围大，容易得到不同的刚度，可用硫化方法使橡胶与金属表面牢固地粘结，能用小型、形状简单的弹性元件构成大型扰性联轴器；内摩擦大、质量小、单位体积储存的变形能大，阻尼性能好，因此可以补偿两轴相对偏移，不同程度的减震和缓冲，更重要的是弹性联轴器可以吸收轴系回外部负载的波动而产生的额外能量，另外应用于风力发电机组的扰性弹性联轴器还应该具备以下几点：⏹强度高，承载能力大。

由于风力发电机组的传动轴系有可能发生瞬时尖峰载荷，故要求联轴器的许用瞬时最大转矩为许用长期转矩的三倍以上。

⏹弹性高，阻尼大，具有足够的减振能力。

把冲击和振动产生的振幅降低到允许的范围内。

⏹具有足够的补偿性，满足在传递扭矩过程中，两轴发生位移的需要。

⏹工作可靠性能稳定，对具有橡胶弹性元件的联轴器还应具有耐热性、不易老化等特性。

➢安全联轴器应用在机械设备中，主要是限制轴系载荷。

当传递的转矩超过限定值时，靠其中联接件折断、分离或打滑使传动中断或限制转矩的传递，以保护传动系统重要部件不至于损坏。

在风力发电机组中通常在低速轴端（主轴与齿轴箱低速轴联接处）选用刚性联轴器。

在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）选用弹性联轴器（或万向联轴器）。

三．国产化联轴器在风力机组中的应用一九八九年，安装于新疆达板城风电场的BOUNS150千瓦风力发电机组，发电机与齿轮箱是通过扰性弹性联轴器连接，由于橡胶部件使用年限已到，大部分已经老化，必须要更换新的橡胶部件，才能保证风力机组安全可靠运行，因此，我们根据原联轴器设计形式，对应查找出我国UL型轮胎式联轴器类似于原联轴器，然后，由我公司技术人员自制模具，生产出橡胶部件，实现了联轴器部件国产化，虽然使用年限比不上原联轴器，但国产联轴器成本比进口联轴器成本有了大幅度的降低。

一九九九年六月，安装于我场的TACKE公司TW600风机（1#）因其联轴器弹性元件损坏而停机。

经过对其结构原理及损坏状况进行分析研究后，我们首先在确定保证其使用性能的前提下，自制符合中国国家标准GB4323—84弹性套柱销联轴器标准要求的新型结构的联轴器，其次，在设计方面我们做了必要的改进，替代原机联轴器，自制联轴器于一九九九年七月十六日安装完毕，投入运行至今，技术状况良好。

原联轴器设计是通过二橡胶弹性原件传递扭矩，吸收因转速和负载变化造成的冲击振动，补偿由制造偏差所致轴心线相对偏移。

原联轴器见下图：经过对损坏情况分析，由于橡胶弹性原件承受较为复杂载荷，并且限于结构尺寸、橡胶性能和元件制造手段，实际上该橡胶元件较难满足设计要求，这从其运行仅三年就被撕裂、挤皱、拉断的破坏现状可以得以证实，因此，在设计新的联轴器过程中，认为该结构中的薄弱环节是橡胶弹性元件，是修复工作中需要重点解决的问题，经过研究对比了国标资料中各种联轴器后，弹性套柱销联轴器（国标GB4323—84）的性能结构是满足条件的几种联轴器中，最为适合的，因此，确定以其结构原理为基础，结合TW600实况，设计新结构联轴器替代TW600原联轴器。

改进后的联轴器见下图：新型联轴器在加工过程中，要严格要求加工制造质量及锥销的磨削质量，这样，保证了零部件的互换性，同时也强化了运行监测，定期检查橡胶套、锥销的运行情况。

经过与TW2#机组运行数据对比，在相同工况下，出力、温度、噪声、运转平顺性及振动状况与TW1#新结构机组相比较无异常状况，运行状态良好。

新结构零件无磨损痕迹性能达到预期效果，而且拆装方便省时，维护工作方便，完成本次新结构制造的全部费用支出为人民币9300元，若仍采用国外进口原配件，以每三年更换一次计，仅更换橡胶元件计，需支出购置费折合人民币18000元，吊装费11140元，因此，经济效果也是明显的。

一九九四年，安装于广东省南澳岛NTK200kw风力机组，至今已经运行了9年左右，由于联轴器橡胶部件老化，导致联轴器不能正常工作，考虑到备品备件已经更换完，为了保证机组能够正常运行，因此需要购买新的联轴器，据了解，同类型联轴器国外销售价为：一万元左右，价格相对很高，因此经过分析，认为这类联轴器可以实现国产化。

在国产化研制过程中，首先，要了解这类风力机组有关信息，经过实际勘察WINCON100KW风机、NTK300kw风机传动装置及橡胶联轴器类似NTK200kw风机，而且WINCON100KW风机、NTK300kw风机齿轮箱是通过三点“硬性”连接固定于机舱底板上，发电机通过“柔性”固定于机舱底板上，因此，利用弹性橡胶联轴器补偿两轴相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动，而且特别适用于经常起停的传动。

其次，相关联轴器比较：1.弹性套柱销联轴器优点：结构简单，安装方便，更换容易，尺寸小，重量轻。

在保证两轴相对位移量的范围内运动，联轴器使用性能和使用寿命能够满足要求。

缺点：工作时受挤压发生的变形量不大，而且弹性套和销孔的配合间隙不宜过大，因此这种联轴器的缓冲和减震性能不够，补偿两轴相对位移量较小。

若两轴位移过大，联轴器运行性能恶化，会导致弹性套严重磨损。

我场采用这种形式，是根据风机实际结构，发电机采用凸缘与齿轮箱连接，同心度误差较小，而且限于有限的尺寸以及风机刹车过程振动等多方面考虑才确定。

2.万向节联轴器优点：径向尺寸小，紧凑，维护方便，传动效率高，使用寿命长，噪声低等优点。

多用于传动较大转矩的机械上缺点：缓冲和减震性能不够。

3.按照原有联轴器形式、大小尺寸加工。

经过分析，这种联轴器损坏是由于橡胶运行周期到了，导致橡胶与金属连接部分撕裂，而不能正常工作。

优点：能够较好的满足整机运行要求，结构简单，安装方便，更换容易，尺寸小，重量轻，能够利用原传动轴工作。

缺点：没有国产化，供货周期较长，价格较高，但如果实现国产化可以克服，另外，橡胶与金属连接部位由于疲劳而容易断裂，需要改进。

4．经过对这种联轴器分析，并参考联轴器选用手册、机械设计手册，选择国标替代元件，多角形橡胶联轴器类似这种型号，多角形橡胶联轴器是用橡胶材料，作为截面为圆形的6角（或8角）形的弹性件，在每一处嵌有与橡胶硫化后粘结在一起的套管，利用穿过套管的6个（或8个）螺栓，交错地与主、从动端上的半联轴器凸缘联接。

多角形橡胶联轴器结构简单，不用润滑，装拆方便，具有缓和传动轴系的扭转和冲击载荷，防止传动轴系共振并能补偿两轴线相对偏移的性能，适用于中等转矩50－8000Nm机械行业，工作范围－30至60°c，另外，橡胶元件使用寿命与实际工况环境温度有很大关系，因此设计者将这类联轴器设计成多角形，主要考虑到联轴器在实际运行环境中的散热，而且，随着扭矩的增大，相应的角数也增加。

经过分析，我们在选用联轴器形式上，主要考虑以下两点：a)由于考虑到没有对整机传动系统做受力分析，为了防止选型不当，而造成风力机组不能正常运行，所以决定采用原联轴器形式。

b)考虑到降低成本，认为有必要继续使用原传动轴做为连接部件，而且原传动轴为刚体结构，运行至今无出现异常。

考虑到上述两点，我们决定不改变原有的传动系，只要能更换原联轴器中易损橡胶部件，就能够保证原传动系正常工作，因此根据这一点，我们了解了国内联轴器生产厂家的有关信息，联系了生产橡胶部件的厂家，从而实现了联轴器部件国产化。

四．联轴器国产化设计过程中应注意几点1.要考虑风力机组传动系有关要求，进行受力分析，防止风机在运行过程中传动轴系产出共振。

2.设计过程中，要尽量考虑使用较为简单、维护方便、容易拆卸的联轴器形式，从而降低维护成本。

3.新型联轴器在加工过程中，要严格要求加工制造精度，保证了零部件的互换性。

由于上述有关问题，是我在从事风力机组维护过程中及在有关联轴器设计过程中的个人见解，希望有关同行多多指出不足，从而使国产化联轴器广泛的应用到风力机组中。