不同型式聯(lián)軸節(jié)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)起停工況扭矩影響的試驗(yàn)研究

摘 要：某設(shè)備通過(guò)取力發(fā)電形式提供大功率交流電源，該設(shè)備試用初期，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞線路上的40kW發(fā)電機(jī)輸出齒輪發(fā)生輪齒早期損傷。初步分析認(rèn)為是異常沖擊力過(guò)大引起早期損傷，而非正常的疲勞破壞。但沖擊載荷來(lái)自何處？有多大？理論計(jì)算或分析均無(wú)法回答，由此設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬臺(tái)架試驗(yàn)，在模擬實(shí)際工況下進(jìn)行兩種聯(lián)軸節(jié)在起停工況下的載荷測(cè)試，以獲得實(shí)際沖擊載荷的大小，為改進(jìn)措施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：力矩限制器;彈性聯(lián)軸節(jié);起停;試驗(yàn)研究

1 ?發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及載荷分析

40kW發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到發(fā)電機(jī)的整個(gè)傳遞線路的總稱，它依次包含發(fā)動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸節(jié)、動(dòng)力分配器、彈性聯(lián)軸節(jié)，最后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。其中彈性聯(lián)軸節(jié)吸收扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并適應(yīng)微小角度的對(duì)中偏差;動(dòng)力分配器按固定傳動(dòng)比增速并實(shí)現(xiàn)垂直軸之間的動(dòng)力傳遞。

動(dòng)力分配器的功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩根據(jù)設(shè)備旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的要求分成5路，其中40kW發(fā)電機(jī)負(fù)載最大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，風(fēng)扇輸出口負(fù)載也較大，但其由液壓離合器帶動(dòng)，沖擊很小，其它輸出口均為小負(fù)載。

對(duì)損傷齒輪理化分析得知，齒輪的材料、熱處理等力學(xué)特性均符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)顯微鏡放大檢查和探傷也未發(fā)現(xiàn)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(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有可能的工況進(jìn)行分析和歸類，具有沖擊損傷的工況有如下兩種：1）發(fā)動(dòng)機(jī)帶著發(fā)電機(jī)起動(dòng)，2）發(fā)動(dòng)機(jī)帶著發(fā)電機(jī)停機(jī)。

2 ?試驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果分析

a.模擬臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)方案

要進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出齒輪實(shí)際承受扭矩載荷的測(cè)試，需在該輸出齒輪與發(fā)電機(jī)之間串連扭矩傳感器，因結(jié)構(gòu)原因在實(shí)際裝備上無(wú)法開(kāi)展，只有在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)。而要獲得與實(shí)際裝備盡可能一致的測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)配置應(yīng)盡可能地與實(shí)際產(chǎn)品保持一致，即模擬臺(tái)架上傳動(dòng)線路上的旋轉(zhuǎn)元件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能與實(shí)際裝備相當(dāng)。

動(dòng)力分配器的發(fā)電機(jī)輸出口依次連接扭矩傳感器、兩種不同型式彈性聯(lián)軸節(jié)（原普通彈性聯(lián)軸節(jié)、帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)）、發(fā)電機(jī)，風(fēng)扇輸出口安裝和實(shí)際產(chǎn)品一致的風(fēng)扇，其余輸出口負(fù)載極小不安裝。

40kW電源控制系統(tǒng)應(yīng)提供40kW發(fā)電機(jī)及閉合的供電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速、發(fā)電、加載等功能。穩(wěn)態(tài)工況電負(fù)載與實(shí)際裝備相同，即15kW電機(jī)起動(dòng)、模擬40kW電負(fù)載。

該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠測(cè)試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各工況下發(fā)電機(jī)輸出齒輪上的實(shí)際承受載荷，所有測(cè)試參數(shù)信號(hào)從扭矩傳感器經(jīng)智能測(cè)試儀、磁帶機(jī)到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理后即可獲得發(fā)電機(jī)輸出齒輪上的扭矩隨時(shí)間的變化曲線。

b. 主要試驗(yàn)、測(cè)試設(shè)備

傳感器：選用AKC-215-B型動(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸供電與信號(hào)傳輸，適合連續(xù)、高速轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量。傳感器頻率信號(hào)輸出為0～5V.TTL電平方波信號(hào)，扭矩頻率輸出范圍為5～20K（Hz），轉(zhuǎn)速頻率輸出范圍為0～5K（Hz）。

帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)：選用KTR公司力矩限制器，可調(diào)整力矩范圍為50～280Nm。

c. 試驗(yàn)程序及試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)程序按如下順序進(jìn)行：測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)機(jī)→結(jié)合40kW發(fā)電機(jī)→起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速→發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。每一步驟穩(wěn)定后間隔10s后進(jìn)入下一步。

兩種彈性聯(lián)軸節(jié)在兩種工況下輸出齒輪上測(cè)得的沖擊扭矩值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由此得出如下分析結(jié)論：

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)起、停兩種工況下，連接帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)時(shí)輸出齒輪上沖擊扭矩均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連接彈性聯(lián)軸節(jié)時(shí)輸出齒輪上相應(yīng)沖擊扭矩。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)工況下，1234N.m相比525N.m，其最大差值可達(dá)2倍以上，說(shuō)明帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)緩沖吸振能力更強(qiáng)。

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

根據(jù)上述分析結(jié)論，停機(jī)工況沖擊載荷是造成輕微損傷的主要原因。

設(shè)計(jì)時(shí)，輸出齒輪按最大功率40kW、額定轉(zhuǎn)速1600r/min、安全系數(shù)2.5設(shè)計(jì)。因此計(jì)算額定負(fù)載為238N.m、最大扭矩為595N.m。在額定功率工況下，理論計(jì)算值小于表1內(nèi)所有數(shù)值，完全滿足要求，但在帶發(fā)電機(jī)起、停工況下，連接原彈性聯(lián)軸節(jié)時(shí)的沖擊扭矩均超過(guò)了最大扭矩值，尤其帶發(fā)電機(jī)停機(jī)工況下，最大值達(dá)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(shù)改進(jìn)措施

用帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)代替原彈性聯(lián)軸節(jié)，它能夠傳遞系統(tǒng)正常工作所需要的扭矩，通過(guò)內(nèi)置的彈性元件吸收扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并通過(guò)力矩限制器中摩擦離合器的打滑來(lái)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(shè)計(jì)最大扭矩值。

進(jìn)一步設(shè)想，如果能在輸出齒輪上設(shè)置切換裝置，可以進(jìn)行該齒輪的結(jié)合和斷開(kāi)操作，以實(shí)現(xiàn)順序停機(jī)，即在發(fā)電機(jī)和動(dòng)力分配器未斷開(kāi)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火停機(jī)，只有在斷開(kāi)狀態(tài)下才能停機(jī)，這樣就可消除停機(jī)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(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 ?結(jié)論

（1）發(fā)電機(jī)輸出齒輪輪齒早期損傷是由于發(fā)動(dòng)機(jī)帶著發(fā)電機(jī)起停工況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量急停引起的沖擊載荷，此沖擊載荷超過(guò)了齒輪設(shè)計(jì)最大允許值。

（2）采用帶力矩限制器的彈性聯(lián)軸節(jié)，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(xiàn)：

[1]成大先 ?機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版第3卷 ?化學(xué)工業(yè)出版社，2016

[2]方永壽 ?某設(shè)備動(dòng)力分配器齒輪損傷沖擊載荷試驗(yàn)報(bào)告 ?航天科工集團(tuán)206所，2012