CN105757141B - 具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电机组联轴器技术领域，提供了一种具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，包括用于连接齿轮箱的第一法兰，用于连接电机轴的第二法兰，还包括联轴器中间轴，所述联轴器中间轴的一端通过调速器连接所述第一法兰，另一端通过膜片联轴器连接所述第二法兰；所述调速器包括外壳及设于所述外壳内的活塞和设于所述外壳和联轴器中间轴之间的相互匹配的摩擦片组；还包括油路及供油系统。本发明结构简单，具有实现输入转速的无级减速，能实现齿轮箱输入轴和电机输出轴之间的扭力平滑过渡，具有离、合功能，扭矩保护功能，补偿齿轮箱和发电机轴之间的偏移，改善轴和支撑的工作条件，消减振动避免轴系发生共振。

Description

具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器

技术领域

本发明涉及风电机组联轴器技术领域，尤其涉及一种具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器。

背景技术

目前，变速恒频风电机组是主流的风力发电机组。其在工作时，由于叶轮的巨大惯量，变桨作用对机组的影响通常需要数秒的时间才能表现出来，这很容易引起功率的大幅波动，通常通过发电机转矩控制来实现快速的调节作用，通过变桨调节与变速调节的协同控制来保证稳定的能量输出。还有负载（电网）的波动也会对齿轮箱产生冲击。

一个理想的风电机组控制系统除了能实现基本控制目标外，还应尽可能实现以下控制目标：减小传动链的转矩峰值；通过动态阻尼来抑制传动链振动；避免过量的变桨动作和发电机转矩调节；通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载；避免轮毂和叶片的突变负载；这些目标有些相互间存在冲突，所以控制的设计过程需要进行相互权衡，实现最优化设计。

风电机组中的联轴器用于联接齿轮箱高速轴与发电机主轴，特别适用于高速重载条件下调整传动装置轴系扭转振动特性，补偿因振动、冲击引起的主、从动轴向、径向和角位移，吸收轴系因外部负载的波动而产生的额外能量不间断传递扭矩和运动，同时具有扭矩限制功能。

目前的风电联轴器多采用弹性联轴器中带中间轴的膜片联轴器结构或者是关节式结构联轴器。这种联轴器能够传递大功率、补偿齿轮箱和发电机轴之间的偏移，改善轴和支撑的工作条件，消减振动避免轴系发生共振，且制造方便，不用维修，寿命长，因此在风电机组中得到了广泛的应用。

但是，这种联轴器只能传递恒定扭矩，高风速时，由于叶轮的巨大惯量，通用的功率反馈方式反应速度较慢，转速、转矩仍有波动，而且会形成转矩、转速峰值，这样就会对齿轮箱内的齿轮造成冲击，在机械旋转的过程中一对齿轮啮合交替变化，周期性的冲击会造成齿轮之间的振动，进而引起齿轮箱故障，缩短齿轮箱寿命。齿轮箱的异常是引起风力发电设备故障的重要因素，会对社会公共安全形成威胁，世界上每年都有很多起因风机传动系统故障引起的风机事故发生。

发明内容

本发明针对现有风电机组传动链中存在的不足，提供了一种结构简单、能够无级变速且具有减震功能的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，用于风力发电机组上，包括用于连接齿轮箱的第一法兰，用于连接电机轴的第二法兰，以及固定安装于所述第一法兰上的刹车片，还包括联轴器中间轴，所述联轴器中间轴的一端通过调速器连接所述第一法兰，另一端通过膜片联轴器连接所述第二法兰；

所述调速器包括固定安装于所述第一法兰上的外壳、设于所述外壳内的活塞、以及设于所述外壳和联轴器中间轴之间的相互匹配的摩擦片组；所述摩擦片组包括交替间隔排列的主动摩擦片与被动摩擦片，所述主动摩擦片通过设于所述外壳内部的花键一与外壳连接并且可沿轴向平移，所述被动摩擦片通过设于所述联轴器中间轴上的花键二与联轴器中间轴啮合并且可沿轴向平移；

还包括油路及供油系统，用于润滑所述摩擦片组及推动所述活塞工作。

进一步的，所述主动摩擦片和被动摩擦片为钢片或者纸基摩擦片，成对使用，所述纸基摩擦片包括钢板及设于钢板上的纸基摩擦材料。

进一步的，所述钢片的接触面为平滑表面，所述纸基摩擦片的接触面为纸基摩擦材料，并于接触面上开有冷却油槽，所述主动摩擦片和被动摩擦片动、静摩擦系数相等或接近。

进一步的，所述外壳上还设有端盖，所述外壳和端盖分别通过第一轴承和第二轴承与所述联轴器中间轴连接，所述第一轴承设于所述外壳靠近第一法兰的一端和所述联轴器中间轴的端部，第二轴承设于所述端盖和所述联轴器中间轴之间。

进一步的，所述活塞设于所述外壳内靠近第一法兰的一端，包括活塞杆、塞体、及设于活塞内的弹簧，其中，所述活塞杆一端固定于所述外壳上靠近第一法兰的一端，另一端连接塞体，所述塞体的一端与所述摩擦片组中最外围的平面摩擦片接触，所述弹簧通过弹簧压环固定于活塞的腔体内。

进一步的，所述油路包括工作油路及润滑油路，所述工作油路和润滑油路的进口均设于第一法兰上，所述工作油路的出口设于所述活塞的油缸处，所述润滑油路的出口设于所述外壳内部及联轴器中间轴上，并与所述主动摩擦片与被动摩擦片的位置相对应；所述供油系统用于给所述油路供油。

优选的，所述工作油路和润滑油路中的油均从第一法兰上的进油机构进出。

进一步的，所述供油系统包括控制油路和润滑油路，所述控制油路包括工作油箱、工作油泵、工作油路粗滤器、工作油路溢流阀、精滤器、电液比例减压阀以及二位三通换向阀，所述润滑油路包括润滑油箱、润滑油泵、润滑油路粗滤器、润滑油路溢流阀、冷却装置。

进一步的，所述联轴器中间轴粘接有绝缘材料，所述绝缘材料与其两端的金属件采用特种粘接剂胶接。

进一步的，所述膜片联轴器的膜片材料为高强度、长寿命合金钢。

本发明的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，具有离合、无级变速功能，用液压控制，液压控制响应快、功率大；在风速高于额定风速，齿轮箱输出转速高于额定转速时，调节联轴器内调速器的油压，使齿轮箱轴和电机轴部分产生速度差，减小传递扭矩，仍然能够保持电机转速稳定在额定转速，产生的热量部分通过调速器润滑油带走，部分由空气带走。通过调节联轴器，改变齿轮箱和电机轴的转差率，使齿轮箱扭矩恒定，不产生冲击，电机转速恒定，既不会造成齿轮箱的冲击，又能提高齿轮箱的寿命，并且提高了所发出电的品质。

进一步的，本发明中调速器的主动摩擦片和被动摩擦片采用钢片与纸基摩擦材料接合的方式。纸基材料在油中工作时，摩擦系数μ与在干式条件工作时没有很大的区别，甚至在很黏的液体中，μ值也不会很大的减小，由于纸基材料的多孔隙结构，结合过程中可以将结合表面的机油挤入材料中，表面上不会形成完全液体油膜。μ值的减小主要原因是摩擦表面上形成了边界润滑油膜，在摩擦表面上加工沟槽并不能使摩擦系数增加，相反增加了磨损值，所以在纸基摩擦衬面上仅开冷却油槽，能够保证油流通过摩擦表面，冷却和润滑摩擦表面，同时油流还可将磨损下来的磨屑带走，防止摩擦片表面的擦伤。纸基摩擦材料摩擦片具有高而稳定的摩擦系数，能够提供大的、可靠的结合力矩，且与钢片的静、动摩擦系数接近，结合过程平稳、柔和、冲击力小、噪声低，具有好的弹性、高的导热性与耐热、耐磨性，以及良好的机械强度，能够承受大的比压。

本发明的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，具有可靠、性价比优良、低噪音、高功率密度、良好的可维修性等优点。使用时不用对现有的风力发电系统作改变，安装尺寸也不变，可以提高现在双馈发电机组的性能和寿命。

附图说明

图1是本发明一个实施例的剖面结构示意图；

图2为图1实施例中调速器的局部放大图；

图3为图1实施例中主动摩擦片的结构示意图；

图4为图1实施例中被动摩擦片的结构示意图；

图5为本发明的实施例中供油系统的组成示意图；

图6为本发明的实施例中油膜剪切力的形成示意图；

附图标记说明：1-第一法兰，2-第二法兰，3-刹车片，4-联轴器中间轴，41-绝缘材料，5-调速器，51-外壳，52-活塞，521-活塞杆，522-塞体，523-弹簧，524-弹簧压环，53-摩擦片组，531-主动摩擦片，532-被动摩擦片，533-花键一，534-花键二，54-塞盖，55-第一轴承，56-第二轴承，6-膜片联轴器，7-油路，71-进油机构，81-工作油箱，82-工作油泵，83-工作油路粗滤器，84-工作油路溢流阀，85-精滤器，86-电液比例减压阀，87-二位三通换向阀，88-润滑油箱，89-润滑油泵，90-润滑油路粗滤器，91-润滑油路溢流阀，92-冷却装置。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其结构为：第一法兰1通过调速器5与联轴器中间轴4连接，第二法兰2通过膜片联轴器6与联轴器中间轴4连接。使用时，第一法兰1通过平键与齿轮箱输出轴连接，第二法兰2与电机轴无键连接。第一法兰1还连接刹车片3。

具体的，第一法兰1与调速器5的外壳51通过调速器连接螺栓固连，外壳51与端盖54通过调速器端盖固定螺栓连接，调速器5通过第一轴承55、第二轴承56与联轴器中间轴4连接。

如图2所示，外壳5内设有摩擦片组53和活塞52。摩擦片组53包括主动摩擦片531和被动摩擦片532。其中，主动摩擦片531通过花键一533与外壳51啮合，被动摩擦片532通过花键二534与联轴器中间轴4啮合，主动摩擦片531为光滑平面，被动摩擦片532表面开有沟槽并涂有纸基摩擦材料。活塞52的活塞杆521的左侧固连在外壳51上，活塞杆521的左侧有外螺纹可以调节安装间隙，右侧通过弹簧压环524压在塞体522上，弹簧523安装在活塞52的间隙中，实现活塞的往返运动，活塞杆521和塞体522上安装有密封圈。

为了保证电机侧与齿轮箱侧之间绝缘，联轴器中间轴4的部分使用绝缘材料41，绝缘材料41与其两端金属件采用特种粘接剂胶接。联轴器中间轴4与第二法兰2通过膜片联轴器6连接，包括膜片连接螺栓、膜片连接螺母及中间连有的左膜片和右膜片；其弹性膜片厚度不定 ，由一定数量的膜片重叠而成，左膜片和右膜片采用四连杆形式，膜片连接方式可以用多种连接方式，按实际传递扭矩大小确定。

如图5所示，油路7包括工作油路及润滑油路，进口均设于第一法兰1上，从第一法兰1上的进油机构71进出；工作油路的出口设于活塞52的油缸处，润滑油路的出口设于外壳51内部及联轴器中间轴4上，并与摩擦片组53的位置相对应。供油系统用于给油路供油，具体的，工作油路包括工作油箱81、工作油泵82、工作油路粗滤器83、工作油路溢流阀84、精滤器85、电液比例减压阀86、二位三通换向阀87，润滑油路包括润滑油箱88、润滑油泵89、润滑油路粗滤器90、润滑油路溢流阀91、冷却装置92。

调速器5的工作原理如下：主动摩擦片531和被动摩擦片532之间须有空隙，当调速器5处于放松状态时，安装在外壳51内的最左侧的平面主摩擦片通过弹簧压环524使弹簧523压缩，主动摩擦片531和被动摩擦片532之间间隙增大，油膜剪切力小，传递扭矩较小，输入轴与输出轴转速差增加；当调速器5处于压紧状态时，进入到外壳51内腔中活塞52左侧的液压油推动活塞杆521向右运动，压缩主动摩擦片531和被动摩擦片532之间的距离，主动摩擦片531和被动摩擦片532之间间隙减小，油膜剪切力增大，传递扭矩变大，输入轴与输出轴之间转速差减小；当调速器再次回到放松状态时，活塞塞体522在弹簧523的作用下左移。

如图3和图4所示，本实施例中，调速器的主动摩擦片531和被动摩擦片532采用钢片与纸基摩擦材料接合的方式。纸基材料在油中工作时，摩擦系数μ与在干式条件工作时没有很大的区别，甚至在很黏的液体中，μ值也不会很大的减小，由于纸基材料的多孔隙结构，结合过程中可以将结合表面的机油挤入材料中，表面上不会形成完全液体油膜。μ值的减小主要原因是摩擦表面上形成了边界润滑油膜，在摩擦表面上加工沟槽并不能使摩擦系数增加，相反增加了磨损值，所以在纸基摩擦衬面上仅开冷却油槽，能够保证油流通过摩擦表面，冷却和润滑摩擦表面，同时油流还可将磨损下来的磨屑带走，防止摩擦片表面的擦伤。纸基摩擦材料摩擦片具有高而稳定的摩擦系数，能够提供大的、可靠的结合力矩，且与钢片的静动摩擦系数接近，结合过程平稳、柔和、冲击力小、噪声低，具有好的弹性、高的导热性与耐热、耐磨性，以及良好的机械强度，能够承受大的比压。

工作时，工作油泵82通过工作油路粗滤器83的过滤从工作油箱81中吸油，再经过精滤器85经过电液比例减压阀86的调节进入活塞52腔体内，当需要缩小齿轮箱侧和电机轴侧转速转差率时，电液比例减压阀86工作使进入活塞52腔内油液压力增大，推动活塞杆521向右运动，塞体522压缩主动摩擦片531和被动摩擦片532之间的间隙，油膜剪切力增大，传递转矩增大；当需要增大齿轮箱侧和电机轴侧转速转差率时，电液比例减压阀86工作使进入活塞52腔体内油液压力减小，在弹簧压环524的作用下，弹簧523将活塞杆521带回左侧，主动摩擦片531和被动摩擦片532之间间隙增大，油膜剪切力减小，传递扭矩减小，工作油路溢流阀84用来调节工作油泵82的出口压力。润滑油泵89通过润滑油路粗滤器90的过滤从润滑油箱88中吸油，通过冷却装置92进入调速器5工作区域，对主动摩擦片531和被动摩擦片532润滑，并提供工作油液，润滑油路溢流阀91可以调节润滑油泵89的出口压力，冷却装置92能对润滑油液冷却。

当活塞塞体522在进入内腔内的油液作用下右移时，挤压最右侧的主动摩擦片，主动摩擦片531和被动摩擦片532之间缝隙减小，油膜剪切力增大，传递扭矩增大，齿轮箱输入轴、电机输出轴之间转速差减小，当塞体522在弹簧523的作用下复位时，主动摩擦片531左移，主动摩擦片531和被动摩擦片532之间的间隙增大，油膜剪切力减小，传递扭矩减小，齿轮箱输入轴与电机输出轴之间转速差增大。齿轮箱通过平键将扭矩传递到第一法兰1，第一法兰1通过螺栓将扭矩传递到调速器外壳51，调速器外壳51利用外缘的花键一533将扭矩传到主动摩擦片531，摩擦片组间的黏性流体油膜将产生一定大小的牛顿剪切力，油膜的牛顿剪切力驱动被动摩擦片532同向旋转，被动摩擦片通过联轴器中间轴4将扭矩传递给电机。

如图6所示，平板间油膜的剪切力与油膜厚度成反比，与摩擦面的数目成正比，结合时，调整各摩擦片间油膜总厚度 ，即可最终控制传递扭矩的大小。润滑油也由工作轴进入工作腔，为工作摩擦片提供工作油液，同时通过油液的循环带走油膜剪切产生的热量和磨屑。同样安装更多的盘片也可以增加调速器传递扭矩的能力，但是调速器一定要总能保证其各片间的间隙，这样就可以使调速器处于放松状态时，盘片可以相互分离。优选的，润滑油路采用一个相对较大流量的液压泵，以较低的压力供油，系统设置一个溢流阀调节供油压力的大小，工作油路控制系统采用一个小流量的液压泵，用电液比例减压阀来无级调节液压缸的压力。第一法兰和第二法兰处分别安装转速传感器，转速信号为电液比例减压阀提供控制信号，另外工作油路上安装两位三通换向阀，当调速器盘片分离时使活塞缸卸荷，主动摩擦片能够复位。

膜片联轴器6主要由左膜片、右膜片、膜片连接螺栓、膜片连接垫片、膜片连接螺母组成。膜片采用四连杆型结构或其他结构形式，膜片厚度为3mm，由一定数量的膜片重叠而成。

实际应用中：假定初始状态，齿轮箱电机轴转速转差率恒定，电机转速恒定且等于最佳转速，当放置于第一法兰处的转速传感器检测到齿轮箱速度下降时，工作油路控制系统中的电液比例减压阀工作，使进入调速器活塞内油腔的油液压力增大，液压油推动塞体向右运动，压缩主动摩擦片和被动摩擦片之间的距离，主动摩擦片和被动摩擦片之间油膜厚度减小，油膜剪切力增大，传递扭矩变大，电机轴侧转速升高，直至电机侧转速传感器检测到电机侧转速达到最佳转速，活塞缸中塞体处于活塞缸中某一位置不再移动，控制系统处于平衡状态；

假定初始状态，齿轮箱电机轴转速转差率恒定，电机转速恒定且等于最佳转速，当放置于第一法兰处的转速传感器检测到齿轮箱侧转速升高，工作油路控制系统中的电液比例减压阀工作，使进入调速器活塞内油腔的油液压力降低，两位三通换向阀使活塞缸卸荷，安装在活塞内的弹簧使活塞后退，主动摩擦片和被动摩擦片之间油膜厚度增大，油膜剪切力小，传递扭矩小，电机转速降低，可以保证电机侧转速恒定于预设值；

当齿轮箱转速太低，以致电机转速始终无法达到最佳转速，此时，活塞缸中的塞体向前移动，主动摩擦片和被动摩擦片完全结合，形成高效率的直接传动，可以传递很大的扭矩；当需要将齿轮箱轴和风机轴断开时，两位三通换向阀使活塞缸完全卸荷，活塞杆在弹簧的作用下退回到底，主动摩擦片和从动摩擦片之间由于距离太大，无法形成油膜，使传动扭矩为零。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，用于风力发电机组上，包括用于连接齿轮箱的第一法兰（1），用于连接电机轴的第二法兰（2），以及固定安装于所述第一法兰（1）上的刹车片（3），其特征在于：

还包括联轴器中间轴（4），所述联轴器中间轴（4）的一端通过调速器（5）连接所述第一法兰（1），另一端通过膜片联轴器（6）连接所述第二法兰（2）；

所述联轴器中间轴（4）粘接有绝缘材料（41），所述绝缘材料（41）与其两端的金属件采用特种粘接剂胶接；

所述调速器（5）包括固定安装于所述第一法兰（1）上的外壳（51）、设于所述外壳（51）内的活塞（52）、以及设于所述外壳（51）和联轴器中间轴（4）之间的相互匹配的摩擦片组（53）；所述摩擦片组（53）包括交替间隔排列的主动摩擦片（531）与被动摩擦片（532），所述主动摩擦片（531）通过设于所述外壳（51）内部的花键一（533）与外壳（51）连接并且可沿轴向平移，所述被动摩擦片（532）通过设于所述联轴器中间轴（4）上的花键二（534）与联轴器中间轴（4）啮合并且可沿轴向平移；

还包括油路（7）及供油系统，用于润滑所述摩擦片组（53）及推动所述活塞（52）工作；

在风速高于额定风速，齿轮箱输出转速高于额定转速时，调节联轴器内调速器的油压，使齿轮箱轴和电机轴部分产生速度差，减小传递扭矩，仍然能够保持电机转速稳定在额定转速。

2.如权利要求1所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述主动摩擦片（531）和被动摩擦片（532）为钢片或者纸基摩擦片，成对使用，所述纸基摩擦片包括钢板及设于钢板上的纸基摩擦材料。

3.如权利要求2所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述钢片的接触面为平滑表面，所述纸基摩擦片的接触面为纸基摩擦材料，并于接触面上开有冷却油槽，所述主动摩擦片和被动摩擦片动、静摩擦系数相等或接近。

4.如权利要求1所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述外壳（51）上还设有端盖（54），所述外壳（51）和端盖（54）分别通过第一轴承（55）和第二轴承（56）与所述联轴器中间轴（4）连接，所述第一轴承（55）设于所述外壳（51）靠近第一法兰（1）的一端和所述联轴器中间轴（4）的端部，第二轴承（56）设于所述端盖（54）和所述联轴器中间轴（4）之间。

5.如权利要求1所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述活塞（52）设于所述外壳（51）内靠近第一法兰（1）的一端，包括活塞杆（521）、塞体（522）、及设于活塞内的弹簧（523），其中，所述活塞杆（521）一端固定于所述外壳（51）上靠近第一法兰（1）的一端，另一端连接塞体（522），所述塞体（522）的一端与所述摩擦片组（53）中最外围的平面摩擦片接触，所述弹簧（523）通过弹簧压环（524）固定于活塞的腔体内。

6.如权利要求1所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述油路（7）包括工作油路及润滑油路，所述工作油路和润滑油路的进口均设于第一法兰上，所述工作油路的出口设于所述活塞的油缸处，所述润滑油路的出口设于所述外壳内部及联轴器中间轴上，并与所述主动摩擦片与被动摩擦片的位置相对应；所述供油系统用于给所述油路供油。

7.如权利要求6所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述工作油路和润滑油路中的油均从第一法兰（1）上的进油机构（71）进出。

8.如权利要求6所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述工作油路包括工作油箱（81）、工作油泵（82）、工作油路粗滤器（83）、工作油路溢流阀（84）、精滤器（85）、电液比例减压阀（86）、二位三通换向阀（87），所述润滑油路包括润滑油箱（88）、润滑油泵（89）、润滑油路粗滤器（90）、润滑油路溢流阀（91）、冷却装置（92）。

9.如权利要求1-8中任一项所述的具有无级变速和离合功能的弹性风电联轴器，其特征在于：所述膜片联轴器（6）的膜片材料为高强度、长寿命合金钢。

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