風(fēng)電機(jī)組法蘭用摩擦墊片的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究*

陳中亞,吳 煒,何俊尉,裘 園,應(yīng)華冬,周偉達(dá)

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著全球范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)電機(jī)組整機(jī)的功率不斷增大。機(jī)組所承受的風(fēng)載荷增大,會(huì)使得機(jī)組各零部件的體積和重量不斷增大。

風(fēng)電機(jī)組零部件設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性[1,2]。法蘭螺栓連接是機(jī)組零部件間最主要的連接方式,螺栓連接的可靠性直接影響著機(jī)組的安全運(yùn)行,同時(shí)螺栓連接的緊湊性影響著零部件的設(shè)計(jì)尺寸和設(shè)計(jì)成本,甚至影響到設(shè)計(jì)方案的可行性[3,4]。

在風(fēng)電機(jī)組中,風(fēng)輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和塔架等關(guān)鍵部件的聯(lián)接經(jīng)常采用法蘭摩擦聯(lián)接的形式[5]。提高主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面的靜摩擦系數(shù),可減少其最小夾緊力,以及螺栓預(yù)緊力,進(jìn)而減少螺栓的數(shù)量或降低螺栓規(guī)格,實(shí)現(xiàn)主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面的緊湊設(shè)計(jì),最終減少相關(guān)部件的設(shè)計(jì)尺寸,降低材料重量,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的輕量化。

摩擦聯(lián)接傳遞力和力矩的能力主要由聯(lián)接部件結(jié)合面間的摩擦系數(shù)所決定,許多學(xué)者提出了很多方法來(lái)增加摩擦聯(lián)接之間的摩擦力。其中,在摩擦聯(lián)接件間增加高摩擦因數(shù)的摩擦墊片,以此來(lái)增加聯(lián)接間摩擦力的方法得到研究人員的廣泛關(guān)注。

常用來(lái)提高材料硬度和耐磨性的復(fù)合微粒有SiC、Al2O3、金剛石等。由于金剛石具有極高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性,Ni-P金剛石化學(xué)復(fù)合鍍成為了國(guó)內(nèi)外提高材料硬度和耐磨性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

王顯彬等人[6]采用差熱分析法,對(duì)Ni-P金剛石復(fù)合鍍的初始晶化峰和晶化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了對(duì)比研究。王健等人[7]研究了不同粒徑的金剛石以及熱處理方式,對(duì)Ni-P金剛石化學(xué)復(fù)合鍍的組織形貌、硬度和摩擦磨損性能的影響規(guī)律。陳華等人[8]研究了在摩擦墊片上進(jìn)行大顆粒金剛石復(fù)合鍍的方法。ISLAMD M等人[9]研究了在拋光銅基體上,進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-P和Ni-P/SiC復(fù)合涂層的具體方法。PETROVA M等人[10]研究了金剛石顆粒濃度和粒徑對(duì)涂層厚度和復(fù)合粒子數(shù)量的影響。ASHASSI-SORKHABI H等人[11]研究了金剛石納米顆粒加入鎳化學(xué)鍍液后,對(duì)Ni-P涂層耐蝕性的影響。廖強(qiáng)等人[12]研究了化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P金剛石鍍層操作條件對(duì)復(fù)合鍍層鍍速、復(fù)合量及硬度的影響規(guī)律,并對(duì)復(fù)合鍍層的組織和性能進(jìn)行了分析。劉蘊(yùn)鋒等人[13]研究了金剛石質(zhì)量濃度、攪拌轉(zhuǎn)速及粉體熱處理工藝,對(duì)復(fù)合鍍層摩擦、磨損性能的影響規(guī)律。

綜上所述,以上學(xué)者針對(duì)Ni-P金剛石復(fù)合鍍層方法及復(fù)合鍍層的耐腐蝕、耐磨損等分別進(jìn)行了各自的研究。但是到目前為止,尚無(wú)針對(duì)摩擦墊片在風(fēng)電領(lǐng)域大部件材料球墨鑄鐵QT400-18AL和QT700-2間的實(shí)際摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。

摩擦墊片工作原理的核心,是在鎳涂層中以一定重量比分布且具有一定平均粒徑的金剛石顆粒。在安裝摩擦墊片過(guò)程中,金剛石顆粒會(huì)“咬進(jìn)”配合面,從而形成微連接[14]。摩擦墊片的摩擦系數(shù)跟金剛石的粒度和表面壓入金剛石密度以及被連接面粗糙度都有一定關(guān)系。

目前,風(fēng)電行業(yè)多個(gè)主機(jī)廠(chǎng)主軸和齒輪箱聯(lián)接面用到一款金剛石平均粒度約35 μm、表面壓入金剛石密度10%～30%的摩擦墊片。

筆者選取常用的主軸和齒輪箱低速端法蘭材料球墨鑄鐵QT400-18AL和QT700-2做試樣,基于拉扭組合試驗(yàn)機(jī),加載準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷來(lái)測(cè)試靜摩擦系數(shù)方法,對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸和齒輪箱聯(lián)結(jié)法蘭用摩擦墊片的摩擦系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 風(fēng)電機(jī)組法蘭用摩擦墊片試樣

為了對(duì)風(fēng)電機(jī)組法蘭用摩擦墊片的摩擦系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,筆者首先給出了風(fēng)電機(jī)組主軸和齒輪箱法蘭摩擦聯(lián)接示意圖,如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組主軸和齒輪箱法蘭摩擦聯(lián)接示意圖

圖1中,主軸和齒輪箱法蘭的摩擦連接形式為風(fēng)電機(jī)組主軸與齒輪箱常用的法蘭摩擦聯(lián)接形式。

根據(jù)德國(guó)《VDI2230—2015高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)[15],螺栓所需提供的最小夾緊力如下式所示:

(1)

式中:FKQ—螺栓所需提供的最小夾緊力,kN;FQmax—最大橫向載荷,kN;MYmax—最大扭矩,kN·m;qF—傳遞橫向載荷的接觸面?zhèn)€數(shù);qM—傳遞扭矩的接觸面?zhèn)€數(shù);ra—摩擦半徑,m;μTmin—靜摩擦系數(shù)。

由式(1)可知,在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)提高主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面的靜摩擦系數(shù),來(lái)減少所需要的最小夾緊力FKQ,從而可以減小螺栓的預(yù)緊力。

而螺栓預(yù)緊力的減小,意味著可以減少螺栓的數(shù)量,或降低螺栓的規(guī)格,這樣就可以實(shí)現(xiàn)主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面更緊湊的設(shè)計(jì),最終可以減小主軸軸承和齒輪箱低速端軸承的設(shè)計(jì)尺寸,以及降低該聯(lián)接部位的材料重量,降低整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造成本。

為了研究該摩擦墊片用于主軸和齒輪箱摩擦聯(lián)接時(shí)的靜摩擦系數(shù),該處,筆者采用主軸與齒輪箱法蘭材料球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2作為實(shí)驗(yàn)的試樣。

實(shí)驗(yàn)試樣的具體加工尺寸如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)試樣加工尺寸

圖2中,試樣1(QT400—18AL)與試樣2(QT700—2)的具體加工尺寸相同。其中,試樣1和試樣2與摩擦墊片接觸的一面為外徑20 mm、內(nèi)徑12 mm的圓環(huán)面,且該圓環(huán)面為粗糙度Ra3.2的機(jī)加工面,該面上涂有防銹油,實(shí)驗(yàn)時(shí)用抹布擦干。

實(shí)驗(yàn)用摩擦墊片的原理圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ翂|片原理圖

該摩擦墊片的材料特性如表1所示。

表1 摩擦墊片的材料特性

該摩擦墊片的應(yīng)用條件如表2所示。

表2 摩擦墊片的應(yīng)用條件

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

在對(duì)主軸和齒輪箱摩擦聯(lián)接時(shí)的摩擦墊片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究前,筆者先給出了實(shí)驗(yàn)試樣的外形與載荷施加方式,如圖4所示。

圖4 試樣外形與載荷方式

圖4中,具體的實(shí)驗(yàn)步驟為:

將摩擦墊片放在試樣1與試樣2之間,以一定壓縮載荷FN壓緊試樣,并保持力值不變,再緩慢施加扭矩TR,直至轉(zhuǎn)動(dòng)5°(實(shí)驗(yàn)采用扭角控制,加載速度為1°/min);

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,筆者全程采集(采樣頻率5 Hz)壓縮載荷、位移、扭矩和扭角的數(shù)據(jù),并分別加以記錄;在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,再根據(jù)壓縮載荷和扭矩?cái)?shù)據(jù)計(jì)算摩擦墊片的摩擦系數(shù)。

摩擦墊片摩擦系數(shù)的計(jì)算公式如下:

(2)

(3)

式中:μ—摩擦系數(shù);TR—試驗(yàn)機(jī)加載扭矩,kN·m;FN—結(jié)合面壓力,kN;dR—當(dāng)量直徑,m;do—結(jié)合面外徑,m;di—結(jié)合面內(nèi)徑,m;p—平均接觸壓強(qiáng),MPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在對(duì)摩擦墊片進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,筆者所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為MTS809—100 kN電液伺服拉、扭組合試驗(yàn)機(jī),其實(shí)物圖如圖5所示。

該電液伺服拉、扭組合試驗(yàn)機(jī)的最大載荷為:±100 kN,扭矩為1 000 N·m,精度為±0.5%。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備所處的環(huán)境溫度為(20±2)℃,濕度為(60±5)%。該溫濕度為風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的典型溫濕度,該溫濕度下試樣和摩擦墊片性能穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,保持該溫濕度基本穩(wěn)定。

為了保持圖4中試樣1與試樣2的水平對(duì)中,在實(shí)驗(yàn)前,筆者參考GB/T 34104—2017《金屬材料試驗(yàn)機(jī)加載同軸度的檢驗(yàn)》,預(yù)先對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了同軸度校準(zhǔn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組中,主軸與齒輪箱之間的法蘭摩擦聯(lián)接面的設(shè)計(jì)平均接觸壓強(qiáng)p約為125 MPa,且在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后,p會(huì)逐漸發(fā)生衰減。

鑒于此,為涵蓋機(jī)組運(yùn)行中所有的p范圍,首先,筆者在實(shí)驗(yàn)中分別在p為50 MPa、100 MPa、150 MPa的條件下,分別測(cè)試了摩擦墊片的摩擦系數(shù)共3次;

接著,在p為125 MPa時(shí),測(cè)試了墊片的摩擦系數(shù)8次;

隨后,在p為125 MPa時(shí),測(cè)試了無(wú)摩擦墊片的摩擦系數(shù)3次;

最后,考慮到在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中,摩擦墊片可能面臨多次拆卸的問(wèn)題,筆者兩次測(cè)試了p為150 MPa時(shí),摩擦墊片拆卸1～3次后的摩擦系數(shù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 接觸面壓力對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響

當(dāng)p為50 MPa、100 MPa、150 MPa時(shí),扭矩在dR處隨周向角位移的變化關(guān)系,如圖6所示。

圖6 扭矩在dR處隨周向角位移的變化關(guān)系(工況一)

由圖6可見(jiàn):隨著試樣1和試樣2的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),扭矩呈現(xiàn)出先逐漸增大到一個(gè)峰值,再緩慢減小到一數(shù)值,然后保持不變的現(xiàn)象。

其中,扭矩峰值Tmax即為用于計(jì)算靜摩擦系數(shù)的扭矩值。

當(dāng)p為50 MPa、100 MPa、150 MPa時(shí),接觸面的靜摩擦系數(shù)如表3所示。

表3 p為50 MPa、100 MPa、150 MPa時(shí)的靜摩擦系數(shù)

由表3可知:

當(dāng)p為50 MPa、100 MPa和150 MPa時(shí),靜摩擦系數(shù)平均值分別為0.647、0.655和0.679,且最大值與最小值介于0.63與0.72之間;

隨著結(jié)合面壓強(qiáng)的增大,靜摩擦系數(shù)略有增大,但差異不大。

當(dāng)p為125 MPa時(shí),扭矩在dR處隨周向角位移的變化關(guān)系,如圖7所示。

圖7 扭矩在dR處隨周向角位移的變化關(guān)系(工況二)

由圖7可知:

p為125 MPa時(shí),多次重復(fù)工況實(shí)驗(yàn)條件下,摩擦墊片用于試樣1和試樣2間在整個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷加載過(guò)程中,試驗(yàn)機(jī)加載扭矩的一致性較高。

對(duì)應(yīng)于圖7的實(shí)驗(yàn),當(dāng)p為125 MPa時(shí),接觸面的靜摩擦系數(shù)如表4所示。

表4 p為125 MPa時(shí)的靜摩擦系數(shù)

由表4可知:當(dāng)p為125 MPa時(shí),靜摩擦系數(shù)的最大值為0.681,最小值為0.660,平均值為0.674。

結(jié)合表(3,4)所示的4種結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)p,即共17組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:

在結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)大于50 MPa時(shí),球磨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2試樣使用該摩擦墊片,靜摩擦系數(shù)相差不大;當(dāng)接觸面的壓力增大,且試樣1和試樣2相對(duì)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),最大扭矩峰值越明顯,但靜摩擦系數(shù)平均值增加不明顯。

在4種結(jié)合面壓力下,共17組實(shí)驗(yàn)靜摩擦系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,如表5所示。

表5 4種結(jié)合面壓力共17組實(shí)驗(yàn)靜摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

表5給出了17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)摩擦系數(shù)總的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差以及最大、最小值。

2.4.2 有、無(wú)摩擦墊片對(duì)靜摩擦系數(shù)影響

當(dāng)p為125 MPa,有、無(wú)摩擦墊片時(shí),扭矩在當(dāng)量直徑dR處隨周向角位移的變化,如圖8所示。

圖8 扭矩在dR處隨周向角位移的變化(工況三)

由圖8可見(jiàn):

在相同結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)下,無(wú)摩擦墊片時(shí),扭矩峰值明顯小于有摩擦墊片;且無(wú)摩擦墊片時(shí),扭矩峰值不明顯。

當(dāng)p為125 MPa,且無(wú)摩擦墊片時(shí)的靜摩擦系數(shù),如表6所示。

表6 p為125 MPa，無(wú)摩擦墊片時(shí)的靜摩擦系數(shù)

由表6可知:

p為125 MPa時(shí),無(wú)摩擦墊片靜摩擦系數(shù)最大值為0.341,最小值為0.326,平均值為0.332。

當(dāng)p為125 MPa,有、無(wú)摩擦墊片時(shí)靜摩擦系數(shù)比較,如表7所示。

表7 p為125 MPa，有、無(wú)摩擦墊片時(shí)靜摩擦系數(shù)比較

由表7可知:

在p為125 MPa之時(shí),球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2試樣之間,使用摩擦墊片比不使用摩擦墊片的情況下,其靜摩擦系數(shù)提高了約一倍。

2.4.3 摩擦墊片重復(fù)使用對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響

p為150 MPa,墊片重復(fù)使用時(shí),扭矩在dR處隨周向角位移的變化,如圖9所示。

圖9 墊片重復(fù)使用時(shí)扭矩在dR處隨周向角位移的變化

由圖9可知:p為150 MPa時(shí),摩擦墊片重復(fù)使用條件下,摩擦墊片用于試樣1和試樣2間在整個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷加載過(guò)程中,試驗(yàn)機(jī)加載扭矩的一致性偏差較大。

對(duì)應(yīng)于圖9,其墊片的重復(fù)使用對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響,如表8所示。

表8 墊片重復(fù)使用對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響

由表8可知:

在試樣和摩擦墊片2次和3次重復(fù)使用時(shí),未對(duì)其結(jié)合面進(jìn)行清潔;隨著使用次數(shù)的增加,其靜摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)。試樣和摩擦墊片2次使用較首次使用時(shí),其靜摩擦系數(shù)下降34%;

試樣和摩擦墊片3次使用較首次使用時(shí),其靜摩擦系數(shù)下降44%;

試樣和摩擦墊片第4次使用時(shí),用干抹布對(duì)試樣和摩擦墊片表面進(jìn)行了簡(jiǎn)單擦拭清潔,其靜摩擦系數(shù)較第3次使用時(shí)有所上升,但較首次使用時(shí),其靜摩擦系數(shù)仍降低32%。

3 結(jié)束語(yǔ)

提高主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面的靜摩擦系數(shù),可以間接實(shí)現(xiàn)主軸與齒輪箱法蘭聯(lián)接面的緊湊設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的輕量化。同時(shí),目前尚無(wú)針對(duì)摩擦墊片在風(fēng)電領(lǐng)域大部件材料球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2間的實(shí)際摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。

為此,筆者以主軸和齒輪箱低速端法蘭材料球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2為試樣,基于拉、扭組合試驗(yàn)機(jī),通過(guò)加載準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷的方法,對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸和齒輪箱聯(lián)結(jié)法蘭用摩擦墊片的摩擦系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

具體結(jié)論如下:

(1)當(dāng)結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)大于50 MPa時(shí),在球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2試樣間使用摩擦墊片的靜摩擦系數(shù)可達(dá)到0.6以上。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的17個(gè)靜摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)的最大值為0.719,最小值為0.630,平均值為0.667,標(biāo)準(zhǔn)差為0.023。由于摩擦系數(shù)直接受到金剛石的粒度和表面壓入金剛石密度及連接面粗糙度的影響,因此,在實(shí)際工程中,選取靜摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)值時(shí)需要考慮一定的安全系數(shù);

(2)當(dāng)結(jié)合面的平均接觸壓強(qiáng)為125 MPa時(shí),在球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2試樣間未用摩擦墊片,實(shí)驗(yàn)測(cè)得其靜摩擦系數(shù)最大值0.341,最小值0.326,平均值為0.332。在相同的結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)下,與未使用摩擦墊片時(shí)相比,使用摩擦墊片后可將其靜摩擦系數(shù)提高約1倍;

(3)在結(jié)合面平均接觸壓強(qiáng)為150 MPa條件下,將試樣和摩擦墊片重復(fù)使用2、3、4次時(shí),其靜摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。若實(shí)際風(fēng)電機(jī)組中需要重復(fù)使用摩擦墊片時(shí),則應(yīng)采取相關(guān)措施,以保證其結(jié)合面的靜摩擦系數(shù)不會(huì)過(guò)低,以免影響相關(guān)聯(lián)接的可靠性。

在該研究中,筆者僅選取了常用的主軸和齒輪箱低速端法蘭材料球墨鑄鐵QT400—18AL和QT700—2做試樣,并對(duì)特定環(huán)境溫濕度、多種結(jié)合面接觸壓強(qiáng)條件下,摩擦墊片的摩擦系數(shù)做了實(shí)驗(yàn)研究。

因此,在今后的研究中,筆者將對(duì)不同材料試樣、不同粗糙度、不同金剛石粒度和密度、不同溫濕度環(huán)境下,該摩擦墊片的摩擦系數(shù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究。