胀紧套设计及应用论文

风力发电机组胀紧套联接的应用与设计计算

姓名:赵涛

工作单位：新疆金风科技股份有限公司

邮编：830026

地域：中国，新疆，乌鲁木齐

电话：018099620680

摘要

胀紧套（简称胀套），全世界广泛用于重型载荷下机械联结的一种先进基础部件，在轮和轴的联结中，它是靠拧紧高强度螺栓使包容面间生产的压力和摩擦力实现负载传送的一种无键联结装置。随着新能源产业的发展，胀紧套在风力发电机组是联接主轴与齿轮箱的一个重要的传递联接件，可靠性要求很高。本文介绍了风力发电机组胀紧套的结构及工作原理，着重给出了胀紧套的受力分析及传扭能力的基本计算方法，为风力发电机组中胀紧套的应用与选型提供数据支持。关键词：胀紧套；风力发电机组；传扭能力

1引言

胀紧套是一种新型传动联接方式，八十年代工业发达的国家如德国、日本、美国等在重型机械联接中广泛应用这种技术[1]。它与一般的过盈联接、键联接相比，在大型风电机组上运用具有以下优点：

（1）胀紧套联接传递扭矩的方式，轴和孔不像过盈配合那样要求很高制造精度来保证过盈量，是通过给传动轴孔施加径向的压力而传动扭矩。安装简单，无需加热、冷却等设备。

（2）胀紧套的使用寿命长，满足风电20年寿命要求。胀紧套对被联接件没有键槽削弱，也无相对运动，工作中不会产生磨损。

（3）胀紧套联接拆卸方便，且具有良好的互换性。由于胀紧套能把较大配合间隙的轴

毂结合起来，拆卸时将螺栓拧松，即可使被联接件很容易拆开。胀紧时，接触面紧密贴合不易产生锈蚀，也便于联接拆卸。

(4) 胀套在严重超载时，将失去联结作用，可以保护设备不受损害。

2风力发电机中所用胀紧套结构及工作原理

胀紧套结构由外环、内环和螺栓组三部分组成，内环与外环的接触表面为圆锥面，见图1。

图1 风电机组胀紧套结构

工作原理：拧动螺栓组，在螺栓拉伸力的作用下内环沿接触面移动发生挤压，在一定挤压力范围内，胀紧套、轴套、主轴都是弹性体，内环在挤压力作用下其内径变形缩小，并进一步与轴套表面发生挤压，轴套挤压后再进一步挤压并抱紧主轴。在轴套与主轴间静摩擦力作用下，来自风力发电机组叶轮（片）的扭矩通过主轴传递到轴套（行星架）上，从而完成风力发电机两大机械件之间扭矩的输送。

3胀紧套结构设计主要内容

胀紧套联接结构设计的主要内容是传扭能力的计算，联接轴套和主轴的强度计算，以及联接螺栓的直径和拧紧力矩的计算。设计计算的目的是让传扭结构在正常传递外载荷时既不发生相对运动，同时又能保证各连接件在装配力的作用下不造成损坏，通过这些计算为风力发电机中胀紧套结构产品选型提供基础。

3.1胀紧套承载能力计算

图2 胀紧套内环受力分析

胀紧套联接的受力分析如图2所示，设锥形压环总轴向力为F （由周向布置的n 个螺栓预紧力形成），R 为胀紧套内环在与外环挤压时所受的总反力。在力F 的作用下，利用斜面的分力作用使得内外环对轴套产生的挤压力为-Q ，轴套对胀紧套内环产生的反作用力为Q 。根据物体相对静止受力平衡的原理，可做以下公式推导：

)sin(βα+=R F

)cos(βα+=R Q

从而得到：

F

Q tan αβ=+（） （1）

式中：α—内外环锥面的半锥角（锥面斜角）；

β—内外环接触面之间的摩擦角，这种在大型风力发电机主轴处所用胀紧套一般为钢性胀紧套，当内外环之间有润滑剂时摩擦系数可取为0.08，arctan 0.08 4.574β==。

图3 主轴与轴套之间关系图解

由于内环、轴套、主轴之间作用有挤压力Q ，在挤压力作用下产生的摩擦力矩传递扭矩，距轴中心线越近的结合面产生的摩擦力矩越小。因此，保证了主轴与轴套之间产生的摩擦力矩，动力的传递就可以完成。因此胀紧套传递扭矩的最大值为：

max T Q /2f d = （2） 式中：f —轴套与主轴之间的摩擦系数，当轴套和主轴材料为钢或铸铁时，可取f =0.12；

d —主轴的外径。

考虑风电机组的实际运行工况，同时，胀紧套还要起到过载保护的作用，风电机组额定

扭矩9550P Te=n ，在设计中安全系数取2.5，那么胀紧套传递扭矩最大为：。

式中：P —风电机组的额定功率；

n —风力发电机组叶轮转速。

3.2 轴套的强度计算

在轴套在挤压力Q 的作用下，内孔表面产生分布压力P 为：

Q

P=dL π （3） 式中：d —轴套孔的直径，即主轴的外径；

L —轴套与主轴接触面的宽度。

若将轴套简化为厚壁圆筒，其在内部分布压力P 的作用下轮毂内产生了周向应力θσ和径向应力r σ[2]。其值为：

r P σ=-，22q -1P q +1θσ= （4）

式中：q=D/d ，即轴套外圆与内孔的比值。

对于塑性材料可按第三强度理论的强度条件：

2r 2q +1P P []q -1θσσσσ=-=+≤ （5）

从而可得到，D ≥ （6）

3.3 联接螺栓的直径和拧紧力矩的计算

胀紧套联接螺栓采用高强度螺栓，一般10.9，12.9级。螺栓的个数n 随着联接直径的加大取值越大，以使胀紧套的内外环受力均匀。螺栓拧紧后螺纹连接件的预紧应力一般不得超过其材料的屈服极限

0.2p σ的70%[3]。螺栓的直径：

d （7） 预紧力矩根据选择的螺栓以及所需要的预紧力，计算预紧力矩MA 。

A A P M K F d = （8） 式中：K —扭矩系数；

FP —单个螺栓的预紧力；

dA —螺栓螺纹公称直径。

4 计算实例与分析

风力发电机组额定功率825kW ，额定输入转速22.5rpm 。

轴套（行星架）：材料QT700-2A ，弹性模量E1=1.8×105MPa ，屈服极限σs1=420MPa ，泊松比μ1=0.28。

主轴：材料42CrMoA ，弹性模量E2=2.1×105MPa ，屈服极限σs2=460MPa ，泊松比μ1=0.3。

内外环材料分别为40Cr 、42CrMoA ，内外环之间涂有润滑脂，取摩擦系数fs=0.08，轴套与主轴间无润滑，取fZ=0.12-0.15[4]。

通过计算得：主轴与轴套配合尺寸d=Φ330H7/f7，轴套与内环的配合尺寸D=Φ420H7/f7，外环直径总宽度L=175mm ，内外环锥面宽度L1=135mm ，其结合锥面半锥角θ=5°，螺栓M27-12.9，数量24个，预紧力矩1510N.m 。

结合实际制造和装配，影响传递扭矩的因素有：

（1）螺栓预紧的扭矩系数K 值，影响K 值的因素很多，主要体现在螺栓和螺孔的加工质量，螺栓的表面处理，螺纹使用的润滑剂等。

（2）摩擦系数fs 、fZ 的合适取值需要进一步考虑，最好通过试验验证。

（3）配合尺寸φ330H7/f7、φ420H7/f7加工控制，表面粗糙度和配合间隙会影响总变形量，从而影响传递扭矩的大小。

（4）正确的安装方法。内外环接触锥面的对中性会直接影响配合面挤压的均匀性。装配中一般采用对称拧紧螺栓，多次循环拧紧，并合适控制内外环的高度差。

5总结

胀紧套是一种新型的基础功能部件。它的使用既能保证设备整机性能要求，又给装配和维修带来了极大的方便。这里根据在设计使用过程中的经验，总结介绍了风力发电机组胀紧套的结构原理、计算方法、以及结合实例计算和实际应用，分析了影响传扭能力的一些重要因素，对于提高该产品的设计制造水平以及应用具有积极而现实的意义。

参考文献

[1] 张锋等.胀紧联接套的设计及其制造加工技术.机械设计及制造.2005（11），36-37.

[2] 成大先主编.机械设计手册（第四版）（第一卷）.化学工业出版社，2002.

[3] 成大先主编.机械设计手册（第四版）（第二卷）.化学工业出版社，2002.

[4] GB/T5371-2004。极限与配合，过盈配合的计算和选用.