不同型式联轴节对传动系统起停工况扭矩影响的试验研究

摘 要：某设备通过取力发电形式提供大功率交流电源，该设备试用初期，发电机驱动系统动力传递线路上的40kW发电机输出齿轮发生轮齿早期损伤。初步分析认为是异常冲击力过大引起早期损伤，而非正常的疲劳破坏。但冲击载荷来自何处？有多大？理论计算或分析均无法回答，由此设计了发电机驱动系统模拟台架试验，在模拟实际工况下进行两种联轴节在起停工况下的载荷测试，以获得实际冲击载荷的大小，为改进措施提供依据。

关键词：力矩限制器;弹性联轴节;起停;试验研究

1  发电机驱动系统及载荷分析

40kW发电机（简称发电机）驱动系统是动力从发动机传递到发电机的整个传递线路的总称，它依次包含发动机、弹性联轴节、动力分配器、弹性联轴节，最后驱动发电机。其中弹性联轴节吸收扭转振动并适应微小角度的对中偏差;动力分配器按固定传动比增速并实现垂直轴之间的动力传递。

动力分配器的功能是把发动机输出的扭矩根据设备旋转方向和转速的要求分成5路，其中40kW发电机负载最大、转动惯量最大，风扇输出口负载也较大，但其由液压离合器带动，冲击很小，其它输出口均为小负载。

对损伤齿轮理化分析得知，齿轮的材料、热处理等力学特性均符合设计要求，经显微镜放大检查和探伤也未发现疲劳破坏的典型迹象，初步分析损坏模式为冲击损伤，而非疲劳损伤。

对驱动系统所有可能的工况进行分析和归类，具有冲击损伤的工况有如下两种：1）发动机带着发电机起动，2）发动机带着发电机停机。

2  试验方案及测试结果分析

a.模拟台架试验台方案

要进行发电机输出齿轮实际承受扭矩载荷的测试，需在该输出齿轮与发电机之间串连扭矩传感器，因结构原因在实际装备上无法开展，只有在台架上进行试验。而要获得与实际装备尽可能一致的测试数据，试验平台结构配置应尽可能地与实际产品保持一致，即模拟台架上传动线路上的旋转元件转动惯量尽可能与实际装备相当。

动力分配器的发电机输出口依次连接扭矩传感器、两种不同型式弹性联轴节（原普通弹性联轴节、带力矩限制器的弹性联轴节）、发电机，风扇输出口安装和实际产品一致的风扇，其余输出口负载极小不安装。

40kW电源控制系统应提供40kW发电机及闭合的供电系统，可以實现调速、发电、加载等功能。稳态工况电负载与实际装备相同，即15kW电机起动、模拟40kW电负载。

该试验系统能够测试驱动系统各工况下发电机输出齿轮上的实际承受载荷，所有测试参数信号从扭矩传感器经智能测试仪、磁带机到计算机，进行数据采集、处理后即可获得发电机输出齿轮上的扭矩随时间的变化曲线。

b. 主要试验、测试设备

传感器：选用AKC-215-B型动态扭矩转速传感器，该传感器可实现非接触供电与信号传输，适合连续、高速转动测量。传感器频率信号输出为0～5V.TTL电平方波信号，扭矩频率输出范围为5～20K（Hz），转速频率输出范围为0～5K（Hz）。

带力矩限制器的弹性联轴节：选用KTR公司力矩限制器，可调整力矩范围为50～280Nm。

c. 试验程序及试验结果分析

试验程序按如下顺序进行：测试系统开机→结合40kW发电机→起动发动机至怠速→发动机停机。每一步骤稳定后间隔10s后进入下一步。

两种弹性联轴节在两种工况下输出齿轮上测得的冲击扭矩值统计见表1。

由此得出如下分析结论：

（1）在发动机起、停两种工况下，连接带力矩限制器的弹性联轴节时输出齿轮上冲击扭矩均远远小于连接弹性联轴节时输出齿轮上相应冲击扭矩。在发动机停机工况下，1234N.m相比525N.m，其最大差值可达2倍以上，说明带力矩限制器的弹性联轴节缓冲吸振能力更强。

（2）检查力矩限制器在起动和停机工况下其摩擦片只发生微量打滑，最大打滑量大约1/25圈，未能连续持续打滑，说明冲击载荷作用时间极短，但能很好地起到消弱冲击载荷峰值的作用。

根据上述分析结论，停机工况冲击载荷是造成轻微损伤的主要原因。

设计时，输出齿轮按最大功率40kW、额定转速1600r/min、安全系数2.5设计。因此计算额定负载为238N.m、最大扭矩为595N.m。在额定功率工况下，理论计算值小于表1内所有数值，完全满足要求，但在带发电机起、停工况下，连接原弹性联轴节时的冲击扭矩均超过了最大扭矩值，尤其带发电机停机工况下，最大值达到了最大扭矩值的2倍以上，因此，早期损伤是不可避免的。

d. 技术改进措施

用带力矩限制器的弹性联轴节代替原弹性联轴节，它能够传递系统正常工作所需要的扭矩，通过内置的弹性元件吸收扭转振动，并通过力矩限制器中摩擦离合器的打滑来消弱降低冲击载荷峰值，使得起、停工况下的冲击载荷均小于设计最大扭矩值。

进一步设想，如果能在输出齿轮上设置切换装置，可以进行该齿轮的结合和断开操作，以实现顺序停机，即在发电机和动力分配器未断开状态下，发动机不能熄火停机，只有在断开状态下才能停机，这样就可消除停机工况下的冲击载荷，使齿轮工作可靠性大大提高。该功能可设计一套控制系统来实现。

3  结论

（1）发电机输出齿轮轮齿早期损伤是由于发动机带着发电机起停工况下，发电机转子较大转动惯量急停引起的冲击载荷，此冲击载荷超过了齿轮设计最大允许值。

（2）采用带力矩限制器的弹性联轴节，可以大大降低起停工况下的冲击载荷，提高齿轮工作可靠性。

参考文献：

[1]成大先  机械设计手册第四版第3卷  化学工业出版社，2016

[2]方永寿  某设备动力分配器齿轮损伤冲击载荷试验报告  航天科工集团206所，2012