用于风电联轴器的扭矩限制器及绝缘管的制作方法

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于风电联轴器的扭矩限制器及绝缘管。


背景技术：

2.带扭矩限制器的风电联轴器位于风电机组的齿轮箱端输出轴和发电机端输入轴之间，具有传递扭矩，绝缘性能和过载保护功能。当发电机的突然短路或者出现其它的电气故障时，从发电机输出轴会传递很大的瞬态扭矩到风电联轴器，为了切断这个瞬态扭矩从风电联轴器传递到齿轮箱，以保护齿轮箱的安全，在这样的极端的工况条件下，扭矩限制器将出现打滑，来保护传动链的安全。
3.现有技术中，为实现连接、传递扭矩及扭矩限制的功能，有采用内外锥套连接的方式，其在正常工作时传递扭矩，在超载时，将在锥面处实现打滑。然而，当面对恶劣工况时，出现连续打滑时，锥面处将摩擦生热严重而无法及时向外传递，可能导致锥面熔融而无法打滑。当出现间断性多次打滑后，锥面过热而出现剧烈磨损而使打滑扭矩下降。另外，现有的扭矩限制器在主机厂处装配，由于连接螺栓轴向力及其它因素的差别，无法精确控制打滑扭矩。如果连接螺栓的轴向力偏低，将导致此扭矩限制器的打滑扭矩比预定的值偏小，可能在正常工作条件下，就会出现打滑失效。常用的连接螺栓没有弹簧等补偿元件，当摩擦片与轴之间出现打滑，摩擦片只要有轻微的磨损，这将导致摩擦片与轴之间的压强急剧下降，打滑扭矩也会有急剧的下降，从而引起扭矩限制器的失效。在螺栓组装后，这种带锥面的结构会引起内环的小锥度的摩擦片处很大的应力集中，摩擦片的应力分布也不均匀，导致打滑过程中，摩擦片的局部磨损严重，从而产生早期的失效。如果出现极端的工况，扭矩限制器出现连续的打滑，就会引起摩擦片与发电机端轴之间的剧烈的温升，巨大的瞬态热应力将导致发电机端轴的出现不可恢复的永久变形，同时轴和融化后凝固的摩擦材料粘接到一起，为拆卸及更换带来很大困难。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于风电联轴器的扭矩限制器及绝缘管，该扭矩限制器及绝缘管能够调节扭矩限制器的打滑扭矩，并能够精确控制打滑扭矩，并能够有效避免打滑失效。
5.为此，根据本发明的第一方面，提供了一种用于风电联轴器的扭矩限制器，包括：圆筒法兰；压紧法兰，所述压紧法兰用于与发电机端连接；多个布置在所述压紧法兰与所述圆筒法兰之间的扇形摩擦片，所述环形摩擦片的内表面包覆在所述圆筒法兰的外表面上，从而在所述环形摩擦片与所述圆筒法兰之间形成摩擦副；以及连接机构，所述扇形摩擦片通过所述连接机构与所述压紧法兰固定连接；其中，所述圆筒法兰能够通过所述扇形摩擦片将扭矩传递给所述压紧法兰，并且所述扇形摩擦片能够与所述圆筒法兰之间在周向上相对摩擦而产生打滑，从而消耗发电机端产生的反向载荷所传递的能量，通过所述连接机构
能够调节所述环形摩擦片与所述圆筒法兰之间的摩擦力，以调节所述扭矩限制器的打滑扭矩。
6.在一个实施例中，所述圆筒法兰包括构造为一体的第一圆筒和第二圆筒，所述第一圆筒的内径大于所述第二圆筒的外径，且在第一圆筒与所述第二圆筒的连接处形成有安装台阶，所述压紧法兰套装在所述第二圆筒上。
7.在一个实施例中，所述压紧法兰构造成包括筒状本体和连接在所述筒状本体的一端的环形连接板，所述环形连接板用于与发电机端连接，所述筒状本体套装在所述第二圆筒上，且所述筒状本体的轴向端面抵靠在所述安装台阶上，所述扇形摩擦片布置在所述筒状本体与所述第二圆筒的径向之间。
8.在一个实施例中，在所述筒状本体的轴向端面与所述安装台阶之间设有第一密封件，在所述环形连接板与所述第二圆筒的轴向端面之间设有第二密封件。
9.在一个实施例中，所述环形连接板上设有多个周向均布的连接孔，所述筒状本体上设有多个用于安装所述连接机构的第一安装孔和第二安装孔，多个所述第一安装孔沿周向均布，多个所述第二安装孔对称分布于所述第一安装孔的轴向两侧，且在周向上与所述第一安装孔对应。
10.在一个实施例中，所述扇形摩擦片包括钢环和形成于所述钢环的内表面上的摩擦层，所述摩擦层与所述钢环通过烧结成型方式形成一体，所述钢环的外表面上设有多个均匀分布的盲孔，多个所述盲孔能够与所述第一安装孔、第二安装孔一一对应。
11.在一个实施例中，所述摩擦层采用铜基摩擦材料制成，且所述摩擦层的厚度设置成处于1到2.5mm的范围内。
12.在一个实施例中，所述连接机构包括第一连接组件和第二连接组件，所述第一连接组件用于安装到所述第一安装孔和相应的所述盲孔内，所述第二连接组件用于安装到所述第二安装孔和相应的所述盲孔内，以使所述扇形摩擦片与所述压紧法兰形成连接。
13.在一个实施例中，所述第一连接组件包括第一螺栓和弹性销，所述第一安装孔的靠近所述扇形摩擦片的部分构造为光孔，而远离所述扇形摩擦片的部分构造为第一螺纹孔，所述弹性销安装在所述光孔和相应的所述盲孔内，所述第一螺栓与所述第一螺纹孔适配安装。
14.在一个实施例中，所述第二连接组件包括第二螺栓和套装在所述第二螺栓上的蝶形弹簧，所述第二安装孔为螺纹孔，所述第二螺栓适配安装在所述第二安装孔内且端部延伸至相应的所述盲孔的底部，从而顶住所述扇形摩擦片，通过调节所述第二螺栓的拧紧力矩能够调节所述扇形摩擦片与所述圆筒法兰之间的摩擦力。
15.在一个实施例中，多个所述扇形摩擦片在周向上均布，且在周向相邻的所述扇形摩擦片之间形成有间隙。
16.根据本发明的第二方面，提供一种用于风电联轴器的绝缘管，包括：如上所述的扭矩限制器；与所述圆筒法兰固定连接的中间绝缘管体；以及与所述中间绝缘管体固定连接的连接法兰，所述连接法兰用于连接齿轮箱端。
17.与现有技术相比，本技术的优点之处在于：
18.根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器及绝缘管能够调节扭矩限制器的打滑扭矩，并能够精确控制打滑扭矩，能够有效避免打滑失效。相比较于现有的圆盘式的扭矩
限制器，根据本发明的扭矩限制器的这种结构具有更低的转动惯量，从而在高速旋转发电过程中能够消耗更少的能量，具有良好的性价比。在发电过程中能够降低风能的损耗，提升风能的利用率。利用环形摩擦片与圆筒法兰之间的摩擦副结构能够解决盘式扭矩限制器的摩擦片的受力不均匀的问题，并且使圆筒法兰的表面压强均匀，从而使扇形摩擦片在打滑的过程中磨损均匀，能够显著延长扇形摩擦片的使用寿命。扭矩限制器的打滑扭矩的大小能够调节，以适应不同的扭矩限制器的打滑扭矩要求。此外，当扭矩限制器出现打滑失效时，扭矩限制器与中间绝缘管体，以及连接法兰共同形成的绝缘管可以整体拆卸更换，具有良好的安装及维护功能。
附图说明
19.下面将参照附图对本发明进行说明。
20.图1示意性地显示了根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器的结构。
21.图2是根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器的侧视图。
22.图3是图1所示用于风电联轴器的扭矩限制器中的压紧法兰的立体图。
23.图4是图1所示用于风电联轴器的扭矩限制器中的压紧法兰的侧视图。
24.图5是沿图4中线a-a的剖视图。
25.图6是沿图4中线b-b的剖视图。
26.图7示意性地显示了图1所示用于风电联轴器的扭矩限制器中的扇形摩擦片的结构。
27.图8和图9分别示意性地显示了图3所示扇形摩擦片的不同视角的结构。
28.图10显示了根据本发明的用于风电联轴器的绝缘管的结构。
29.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
30.以下通过附图来对本发明进行介绍。需要说明的是，这些介绍仅为出于说明本发明的原理而提供，并不因此而限制了本发明的范围。
31.在本技术中，需要说明的是，将沿图1中的水平方向定义为轴向，将沿图1中的垂直方向定义为径向。
32.图1示意性地显示了根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器100的结构。如图1所示，扭矩限制器100包括圆筒法兰1、压紧法兰2、多个布置在圆筒法兰1压与紧法兰2之间的扇形摩擦片3，以及连接机构。圆筒法兰1用于与风电联轴器的齿轮箱端连接。压紧法兰2用于与风电联轴器的发电机端连接。环形摩擦片3的内表面包覆在圆筒法兰1的外表面上，从而在环形摩擦片3与圆筒法兰1之间形成摩擦副。扇形摩擦片3通过连接机构与压紧法兰2固定连接。
33.当风机正常工作时，圆筒法兰1能够通过扇形摩擦片3将齿轮箱端输出的扭矩传递给压紧法兰2，进而传递给发电机端。并且，在发电机端出现故障时，扇形摩擦片3能够与圆筒法兰2之间在周向上相对摩擦而产生打滑，从而消耗发电机端产生的反向载荷所传递的能量。通过连接机构能够调节环形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦力，从而能够精确调节
扭矩限制器100的打滑扭矩。
34.如图1所示，圆筒法兰1包括构造为一体的第一圆筒11和第二圆筒12，第一圆筒11的内径大于第二圆筒12的外径，并且在第一圆筒11与第二圆筒12的连接处形成有安装台阶13。压紧法兰2套装在第二圆筒12上。在一个实施例中，第一圆筒11的自由端(图1中的左端)构造有台阶形连接部，用于固定连接中间绝缘管体8(见图10)。
35.如图1所示，压紧法兰2构造成包括筒状本体21和连接在筒状本体21的一端(图2中的右端)的环形连接板22。环形连接板22用于与发电机端连接。筒状本体21套装在圆筒法兰1的第二圆筒12上，且筒状本体21的轴向端面抵靠在安装台阶13上，扇形摩擦片3布置在筒状本体21与第二圆筒12的径向之间。
36.压紧法兰2的环形连接板22的中部设有中心孔，该中心孔与圆筒法兰1的内孔连通，用于供发电机端的输入轴从中穿过。
37.根据本发明，如图1所示，在筒状本体21的轴向端面与安装台阶13之间设有第一密封件4，在环形连接板22与第二圆筒12的轴向端面之间设有第二密封件5。优选地，第一密封件4和第二密封件5可以采用o型密封圈。由此，能够对扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦副形成密封，从而能够防止水汽和油污进入摩擦副。摩擦副结构能够解决盘式扭矩限制器的摩擦片的受力不均匀的问题，并且使圆筒法兰1的表面压强均匀，从而使扇形摩擦片3在打滑的过程中磨损均匀，能够延长扇形摩擦片3的使用寿命。这非常有利于提高扭矩限制器100的工作性能和增强其可靠性。
38.如图1和图2所示，在压紧法兰2的环形连接板22上设有多个周向均布的连接孔221，连接孔221为光孔。在连接孔221中安装弹性元件(未示出)，进而与发电机端进行固定连接。连接孔221的数量为偶数个，具体根据联轴器的传递的扭矩大小来确定连接孔221数量。通过调节压紧法兰2的环形连接板22上的连接孔221的数量，来组装数量合适的弹性元件，以确保可以传递合适的载荷。
39.根据本发明，如图3至图6所示，在压紧法兰2的筒状本体21上设有多个用于安装连接机构的第一安装孔211和第二安装孔212。如图4所示，多个第二安装孔212对称分布于第一安装孔211的轴向两侧，并与第一安装孔211轴向间隔开一定距离。如图5和图6所示，多个第一安装孔211沿周向均布，并且，第二安装孔212在周向上与第一安装孔211对应。
40.根据本发明，如图7至图9所示，扇形摩擦片3包括钢环31和形成于钢环31的内表面上的摩擦层32，摩擦层32与钢环31通过烧结成型方式形成一体。在钢环31的外表面上设有多个均匀分布的盲孔311。多个盲孔311的尺寸设置一致。在安装时，多个盲孔311能够与第一安装孔211、第二安装孔212一一对应，以用于安装连接机构，由此，使钢环31与压紧法兰2的筒状本体21之间通过连接机构形成固定连接。同时，通过连接机构能够顶紧扇形摩擦片3，使摩擦层32紧贴在圆筒法兰1的第二圆筒12上，从而形成摩擦副。在一个实施例中，圆筒法兰1的第二圆筒12的外表面形成摩擦面，这有利于提高紧扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦力。通过调节连接机构的拧紧力矩能够调节环形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦力，从而能够精确调节扭矩限制器100的打滑扭矩，以使扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间的打滑扭矩达到规定的打滑范围。
41.在一个实施例中，摩擦层32采用铜基摩擦材料制成，且摩擦层32的厚度设置成处于1到2.5mm的范围内。这有利于提高摩擦层32与圆筒法兰1之间的摩擦力，从而保证摩擦副
的性能，有利于调节扭矩限制器100的打滑扭矩，能够进一步提高扭矩限制器100的工作性能。
42.在一个实施例中，如图8所示，在摩擦层32的与圆筒法兰1接触的内表面上设有多个凹槽321。多个凹槽321在环向上均匀间隔开分布，且沿轴向延伸设置。凹槽321结构有利于提高摩擦层32与圆筒法兰1之间的摩擦力。
43.根据本发明，在安装时，多个扇形摩擦片3在周向上均布，且在周向相邻的扇形摩擦片之间形成有间隙。在摩擦副的打滑过程中，这些间隙的存在有利于降低摩擦层32的周向变形，从而降低扇形摩擦片3的环向应力，并能够避免摩擦升温导致周向方向很大的热应力，非常有利于延长摩擦层32的寿命。扇形摩擦片3内壁摩擦面的直径和圆筒法兰1的第二圆筒12的外径加工成同样尺寸，这样便于两者之间的磨合。
44.在一个实施例中，扇形摩擦片3可以设有4个，每个扇形摩擦片3加工成比1/4圆环略小环。将4件扇形摩擦片3包在圆筒法兰1的第二圆筒12的外表面上，并保持在周向上均匀分布，由此在周向相邻的扇形摩擦片3的周向端面之间形成间隙。
45.当然可以理解，扇形摩擦片3也可以设有6个或8个，每个扇形摩擦片3的环向尺寸根据需要设置，并保证安装后多个扇形摩擦片3两两周向之间有合适的间隙。
46.根据本发明，连接机构包括第一连接组件6和第二连接组件7。第一连接组件6用于安装到第一安装孔211和相应的盲孔311内，第二连接组件7用于安装到第二安装孔212和相应的盲311孔内，以使扇形摩擦片3与压紧法兰2形成固定连接。第一连接组件6和第二连接组件7均设有多个，且在周向上均与间隔开分布，且优选均设有偶数个。
47.如图1所示，第一连接组件6包括第一螺栓61和弹性销62。第一安装孔211的靠近扇形摩擦片3的部分构造为光孔，而远离扇形摩擦片3的部分构造为第一螺纹孔。优选地，第一螺纹孔构造为沉头孔。在安装时，第一安装孔211、第二安装孔212分别与相应的盲孔311一一对准。弹性销62安装在第一安装孔211的光孔部分和相应的盲孔311内，第一螺栓61与第一安装孔211的第一螺纹孔部分适配安装。弹性销62与第一安装孔211的光孔部分和相应的盲孔311之间设计成微小的过盈配合。第一螺栓61打合适的拧紧力矩，由此能够对弹性销62形成限定，以避免在长期使用后个别弹性销62因松动在离心力作用下而出现径向飞出的风险。
48.如图1所示，第二连接组件7包括第二螺栓71和套装在第二螺栓71上的蝶形弹簧72。第二安装孔212为螺纹孔。优选地，第二安装孔212为沉头螺纹孔。第二螺栓71适配安装在第二安装孔212内且端部延伸至相应的盲孔311的底部，从而顶住扇形摩擦片3，由此对扇形摩擦片3形成固定安装。蝶形弹簧72套在第二螺栓71上且处于沉头螺纹孔的沉头部位。通过调节第二螺栓71的拧紧力矩能够调节扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦力。碟形弹簧72能够解决由于加工所带来的第二螺栓71与连接部件之间的局部接触及受力不均问题。同时，第二连接组件7通过碟形弹簧72来实现力的补偿，从而防止了扭矩限制器100打滑时的过早失效。
49.在本实施例中，压紧法兰2的筒状本体21的内圆柱面与扇形摩擦片3的钢环31的外圆柱面的之间保持微量的间隙。设计过程中，在保证压紧法兰2和扇形摩擦片3之间能组装的情况下，间隙越小越好。这样组装后，能够保证扭矩限制器100具有良好的动平衡效果。
50.在组装过程中，同时对称组装第二连接组件7，将第二螺栓71同时组装在压紧法兰
2的筒状本体21上的第二安装孔212内。安装时第二螺栓71先穿过碟形弹簧72，且第二螺栓71的螺纹头部插入到扇形摩擦片3的钢环31的盲孔311中并顶住扇形摩擦片3，并且此时使第二螺栓71轻微拧紧，不打拧紧力矩。按照同样的方法，将所有第二连接组件7均组装处于第一安装孔211的轴向两侧的所有第二安装孔212内而组装到压紧法兰2上。然后，同时将所有的第二螺栓71打合适的拧紧力矩，保证在扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间产生一定的摩擦力。
51.根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器100在装配时，先将圆筒法兰1垂直于地面放置于装配台上，且第二圆筒12处于第一圆筒11的上方。对应安装多个扇形摩擦片3，并将压紧法兰2的筒状本体21竖直套在扇形摩擦环3上面，同时保证压紧法兰2上的多个第一安装孔211、第二安装孔212分别与扇形摩擦环3上相应的盲孔311一一对准。然后安装第一连接组件6和第二连接组件7，并在扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间产生一定的摩擦力。
52.根据本发明，当扇形摩擦片3与对偶件的摩擦系数一定时，通过调节圆筒法兰1的外径及长度、扇形摩擦片3的直径、长度、数量、第一螺栓61和第二螺栓71的数量、以及第二螺栓71的拧紧力矩，能够调节扭矩限制器100的打滑扭矩的大小，以适应不同的扭矩限制器的打滑扭矩要求。并且，对于同一种规格的扭矩限制器，也可以通过改变第二螺栓71的数量、规格或等级来调整扭矩限制器的打滑扭矩，以实现扭矩限制器打滑扭矩的可调节性能。相比较于现有的圆盘式的扭矩限制器，根据本发明的扭矩限制器100的这种结构具有更低的转动惯量，从而在高速旋转发电过程中能够消耗更少的能量，具有良好的性价比。
53.根据本发明还提供了一种用于风电联轴器的绝缘管200。如图10所示，绝缘管200包括上述的扭矩限制器100、与扭矩限制器100的圆筒法兰1固定连接的中间绝缘管体8，以及与中间绝缘管体8固定连接的连接法兰9，连接法兰9用于连接齿轮箱端。
54.在一个实施例中，连接法兰9构造成包括圆筒状的本体和环形板状的连接板。本体的轴向端部(图10中的右端)构造有台阶形连接部，用于固定连接中间绝缘管体8。中间绝缘管体8的一端与圆筒法兰1的台阶形连接部采用粘接方式固定连接为一体，同样地，中间绝缘管体8的另一端与连接法兰9的台阶形连接部采用粘接方式固定连接为一体。由此，形成绝缘管200。
55.在连接法兰9的连接板上设有多个周向均布的光孔。在光孔中安装弹性元件(未示出)，进而与齿轮箱端进行固定连接。光孔的数量为偶数个，具体根据联轴器的传递的扭矩大小来确定光孔数量。通过调节连接法兰9的连接板上光孔的数量，来组装数量合适的弹性元件，以确保可以传递合适的载荷。
56.组装完绝缘管200后，将绝缘管200整体的左右端分别连接到扭矩标定实验机(未示出)上面，使用十字交叉法，调节第二连接组件7中的第二螺栓71上的拧紧力矩，来调节扇形摩擦片3上面的正压力，然后在试验台上精确测量该扭矩限制器100的打滑扭矩，通过不断调节第二螺栓71的扭矩，直至使得扇形摩擦片3与圆筒法兰1之间的打滑扭矩达到规定的打滑扭矩范围，以满足主机厂要求的打滑扭矩范围。
57.在实际使用时，当风机正常工作时，载荷从齿轮箱端输出轴通过弹性元件传递到连接法兰9上，连接法兰9和上的载荷进而传递给中间绝缘管体8，中间绝缘管体8的载荷依次通过圆筒法兰1、扇形摩擦片3，再传递给压紧法兰2，然后通过压紧法兰2再传递给弹性元件，通过弹性元件再传递给发电机端输入轴，从而带动发电机发电。而当发电机出现短路或
其它的电气故障时，发电机端的反向载荷将从发电机端输入轴向齿轮箱端传递，此时，扇形摩擦片3的摩擦层32与圆筒法兰1的第二圆筒12之间将在圆周方向上出现相对的角度错位而产生相对摩擦，即出现打滑。在打滑的过程中，反向载荷将出现急剧的下降。扇形摩擦片3与圆筒法兰1的相对摩擦消耗了瞬态反向载荷传递过来的能量，从而保护齿轮箱免受冲击。
58.根据本发明的用于风电联轴器的扭矩限制器100及绝缘管200能够调节扭矩限制器的打滑扭矩，并能够精确控制打滑扭矩，能够有效避免打滑失效。相比较于现有的圆盘式的扭矩限制器，根据本发明的扭矩限制器100的这种结构具有更低的转动惯量，从而在高速旋转发电过程中能够消耗更少的能量，具有良好的性价比。在发电过程中能够降低风能的损耗，提升风能的利用率。利用环形摩擦片3与圆筒法兰1之间的摩擦副结构能够解决盘式扭矩限制器的摩擦片的受力不均匀的问题，并且使圆筒法兰1的表面压强均匀，从而使扇形摩擦片3在打滑的过程中磨损均匀，能够显著延长扇形摩擦片3的使用寿命。扭矩限制器100的打滑扭矩的大小能够调节，以适应不同的扭矩限制器的打滑扭矩要求。此外，当扭矩限制器100出现打滑失效时，扭矩限制器100与中间绝缘管体8，以及连接法兰9共同形成的绝缘管200可以整体拆卸更换，具有良好的安装及维护功能。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
60.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。