磁性聯(lián)軸器試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 *

鄭富磊，靳峰雷，楊孔靂，陳樹明，秦沈杰，唐劍鋒

(1.中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413； 2.上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 201306)

0 引 言

同軸磁性聯(lián)軸器是示范快堆非能動(dòng)棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(PSR-HRDM)的關(guān)鍵部件之一，是其傳動(dòng)系統(tǒng)和密封邊界的重要組成部分。磁性聯(lián)軸器利用磁力無接觸傳遞扭矩的工作原理，使驅(qū)動(dòng)部分和從動(dòng)部分完全隔離開來[1]，用于實(shí)現(xiàn)輸入軸和輸出軸之間扭矩的傳遞，同時(shí)也避免了轉(zhuǎn)軸的動(dòng)密封問題因而不存在外漏的可能性[2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，磁性聯(lián)軸器主要分為平面?zhèn)鲃?dòng)聯(lián)軸器和同軸聯(lián)軸器兩種[3]。在PSR-HRDM中，選用的是同軸型磁性聯(lián)軸器。

溫升和啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角會(huì)對PSR-HRDM傳遞扭矩和傳動(dòng)系統(tǒng)精度產(chǎn)生不利影響。PSR-HRDM要求選用的磁性聯(lián)軸器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的密封，扭矩輸出能力和啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角也均應(yīng)滿足使用要求?？紤]到選用的磁性聯(lián)軸器缺少工作溫度下的溫升和啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)，定量確定相關(guān)參數(shù)。

筆者針對某型用于PSR-HRDM磁性聯(lián)軸器的溫升和啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角，確定了驗(yàn)證指標(biāo)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該型磁性聯(lián)軸器可以滿足工程需要。

1 磁性聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu)

磁性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，包括密封殼、輸入軸、內(nèi)磁環(huán)、外磁環(huán)和輸出軸。輸入軸處于反應(yīng)堆外，與電機(jī)連接。輸入軸處于反應(yīng)堆內(nèi)，與下部傳動(dòng)元件連接。靜態(tài)時(shí)，內(nèi)、外磁環(huán)無相對運(yùn)動(dòng)，無扭矩傳遞。啟動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)摩擦和傳動(dòng)元件慣性的存在，在獲得穩(wěn)定的傳遞扭矩之前，內(nèi)磁環(huán)需相對外磁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，即啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角φ，該啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角會(huì)對系統(tǒng)傳動(dòng)精度產(chǎn)生一定的不利影響。在使用過程中，磁性聯(lián)軸器溫度會(huì)隨著時(shí)間的增加而升高，直至達(dá)到熱平衡。內(nèi)外磁環(huán)的磁性會(huì)隨著溫度的上升而逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到其居里點(diǎn)時(shí)，磁性完全喪失。

有必要對PSR-HRDM用磁性聯(lián)軸器的啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角和溫升特點(diǎn)進(jìn)行定量研究，分析對PSR-HRDM整機(jī)的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象：PSR-HRDM用磁性聯(lián)軸器，簡圖如圖1所示；內(nèi)外磁環(huán)材料為SmCo。

圖1 磁性聯(lián)軸器基本結(jié)構(gòu)1.密封殼 2.輸入軸 3.內(nèi)磁環(huán) 4.外磁環(huán) 5.輸出軸

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)溫度：(55±5)℃，同實(shí)際工作環(huán)境溫度；試驗(yàn)介質(zhì)：空氣，同輸入軸側(cè)實(shí)際工作環(huán)境介質(zhì)；轉(zhuǎn)速：2 000 r/min。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證指標(biāo)

根據(jù)PSR-HRDM整機(jī)功能指標(biāo)分解，確定磁性聯(lián)軸器的試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)與驗(yàn)收指標(biāo)如表1所列。

表1 磁性聯(lián)軸器試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)與驗(yàn)收指標(biāo)

2.4 測量器具

試驗(yàn)用主要測量工具名稱、規(guī)格型號、精度、量程等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，見表2。

表2 試驗(yàn)用測量工具

2.5 試驗(yàn)方法

2.5.1 溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、試驗(yàn)用磁性聯(lián)軸器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、負(fù)載電機(jī)、空氣加熱器、紅外線溫度計(jì)等組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在磁性聯(lián)軸器的輸出端，是磁性聯(lián)軸器的驅(qū)動(dòng)裝置。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器用于測量磁性聯(lián)軸器傳遞扭矩。負(fù)載電機(jī)安裝在磁性聯(lián)軸器的輸出端，用于模擬相對應(yīng)的負(fù)載扭矩。空氣加熱器用于控制試驗(yàn)環(huán)境溫度。紅外線溫度計(jì)用于測試磁性聯(lián)軸器表面溫度。

在額定工作載荷下，間隔固定時(shí)間對磁性聯(lián)軸器表面溫度進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)磁性聯(lián)軸器表面溫度連續(xù)20 min波動(dòng)小于±1 ℃時(shí)，即認(rèn)為磁性聯(lián)軸器達(dá)到熱平衡。

2.5.2 啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)

啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)裝置主要由：數(shù)顯傾角儀、靜態(tài)扭矩傳感器、扭矩盤、空氣加熱器、固定支架、磁性聯(lián)軸器和紅外線溫度計(jì)等組成。數(shù)顯傾角儀用于測試磁性聯(lián)軸器在扭矩作用下的啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角度。靜態(tài)扭矩傳感器用于測試磁性聯(lián)軸器傳遞扭矩。扭矩盤用于磁性聯(lián)軸器受力扭矩發(fā)生與調(diào)節(jié)?？諝饧訜崞饔糜诳刂圃囼?yàn)環(huán)境溫度。固定支架用于固定磁性聯(lián)軸器的一端。紅外線溫度計(jì)用于測試磁性聯(lián)軸器表面溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果

磁性聯(lián)軸器在額定負(fù)載和室溫條件下的溫升曲線，如圖2所示。將磁性聯(lián)軸器在額定負(fù)載和工作溫度范圍內(nèi)(實(shí)測為51.4 ℃)連續(xù)運(yùn)行約17 h后，測得其熱平衡溫度為75 ℃。

磁性聯(lián)軸器在溫度為23.2 ℃和55.8 ℃下的扭矩-啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角曲線，以及在23.2 ℃和55.8 ℃下的扭矩-啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角(取平均值)曲線，分別見圖3～5所示。

圖2 磁性聯(lián)軸器溫升曲線(室溫)

圖3 磁性聯(lián)軸器的扭矩-啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角曲線(23.2 ℃)

圖4 磁性聯(lián)軸器的扭矩-啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角曲線(55.8 ℃)

圖5 磁性聯(lián)軸器的扭矩-啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角曲線對比圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 溫升試驗(yàn)

從圖2可以看出，試驗(yàn)對象在室溫(實(shí)測23.6 ℃)、額定負(fù)載下以2 000 r/min連續(xù)運(yùn)行，溫升速率隨時(shí)間增加而減緩，在60 min后達(dá)到熱平衡。熱平衡溫度約為47 ℃，溫升約23.4 ℃。

試驗(yàn)對象在工況溫度(55±5 ℃，實(shí)測溫度為51.4 ℃)、額定負(fù)載下以2 000 r/min連續(xù)運(yùn)行，熱平衡溫度約為75 ℃，溫升約23.6 ℃。75 ℃的熱平衡溫度，遠(yuǎn)小于常見SmCo材料的居里溫度(SmCo5，740 ℃；SmCo17，926 ℃)[4]。

在室溫和工作溫度下，磁性聯(lián)軸器溫升不超過25 ℃。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，磁性聯(lián)軸器可以連續(xù)穩(wěn)定輸出額定負(fù)載要求的扭矩。

4.2 啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)

從圖3、4可以看出，試驗(yàn)對象啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角在試驗(yàn)溫度為23.2 ℃和55.8 ℃下：①兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)重合度較好；②啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角為扭矩的反余弦函數(shù)，與姜永[3]給出的表達(dá)式在趨勢上一致；③在額定負(fù)載下的啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角約為2.6°。

從圖5可以看出，扭矩相同的條件下，溫度越高，啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角越大，且二者之間的差值隨扭矩的增大而增大，原因是隨著環(huán)境溫度升高，SmCo材料的磁能積會(huì)下降。

5 結(jié) 論

考慮實(shí)際工作溫度、介質(zhì)、轉(zhuǎn)速、負(fù)載等因素，針對PSR-HRDM用磁性聯(lián)軸器的溫升和啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角指標(biāo)，設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明結(jié)果如下：

(1) 在工作溫度和額定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行，溫升不超過25 ℃，熱平衡溫度不大于75 ℃，遠(yuǎn)小于SmCo材料的居里點(diǎn)，可以穩(wěn)定輸出整機(jī)要求的傳遞扭矩。

(2) 在工作溫度和額定負(fù)載下，啟動(dòng)偏轉(zhuǎn)角不大于2.6°，滿足整機(jī)傳動(dòng)精度指標(biāo)要求。

(3) 選用的磁性聯(lián)軸器，可以滿足工程需要。