采用摩擦垫片增强主轴与齿轮箱法兰联接面静摩擦性能实验
为提高风电机组传动系统的紧凑性与轻量化水平，对主轴与齿轮箱法兰联接面采用摩擦垫片以提升静摩擦系数开展了实验研究。首先，分析了联接面摩擦系数对传递扭矩能力和结构减重与成本的影响。随后，以球墨铸铁QT400-18AL和42CrMo4材料制备试样，模拟实际法兰联接条件，测试了加装摩擦垫片后的静摩擦性能。研究提出了一种基于拉–扭复合试验机的准静态加载方法，通过在结合面施加50 MPa、100 MPa、125 MPa及150 MPa四种平均接触压强，系统测量了静摩擦系数的变化。
实验结果表明：当结合面平均接触压强超过50 MPa时，静摩擦系数平均值为0.667，标准差为0.023；与未使用摩擦垫片的情况相比，使用摩擦垫片可使静摩擦系数提高约一倍。然而，在摩擦垫片重复使用时，静摩擦系数呈现下降趋势。因此，在风电工程实践中，需采取相应措施，确保垫片在重复使用过程中联接面静摩擦系数不致过低，从而保障联接的可靠性与结构安全。
鉴于风电机组中法兰联接面的设计平均接触压强（p ≈ 125 MPa）在长期运行后会衰减，为全面覆盖其可能的压强范围，本研究设计了系统的实验方案：首先，在50、100、150 MPa三种压强下，分别对摩擦垫片进行了3次重复测试；随后，在关键的设计压强125 MPa下，对垫片进行了8次测试，并对无垫片状态进行了3次基准测试；最后，为模拟实际维护中的拆卸工况，额外测试了在150 MPa压强下，垫片经1至3次拆卸后的摩擦性能（各状态测试2次）。
为提高风电机组的轻量化水平，本文研究通过提升主轴-齿轮箱法兰联接面的静摩擦系数以实现结构紧凑化。针对目前缺乏摩擦垫片在风电专用材料（QT400-18AL与QT700-2）间摩擦系数数据的现状，本研究基于拉-扭复合试验机，通过准静态拉扭载荷，对所述摩擦垫片的性能进行了实验测定。
具体研究结论如下：
(1) 当结合面平均接触压强大于50 MPa时，在球墨铸铁QT400-18AL与QT700-2试样间加装摩擦垫片，静摩擦系数均可达到0.6以上。所测得的17组数据中，最大值为0.719，最小值为0.630，平均值为0.667，标准差为0.023。由于摩擦系数受金刚石粒度、表面压入密度及连接面粗糙度等因素影响，建议在实际工程设计中考虑适当的安全系数。
(2) 在结合面平均接触压强为125 MPa条件下，未使用摩擦垫片时，静摩擦系数最大值为0.341，最小值为0.326，平均值为0.332；而在相同压强下使用摩擦垫片后，静摩擦系数平均值约为未使用时的两倍，提升效果显著。
(3) 在结合面平均接触压强为150 MPa条件下，随着试样与摩擦垫片重复使用次数增加（2次、3次及4次），静摩擦系数呈现逐渐下降趋势。因此，若风电机组在实际运行中需重复使用摩擦垫片，必须采取相应措施，确保结合面静摩擦系数不低于安全阈值，以保障联接结构的可靠性。
需要说明的是，本研究仅针对常用的主轴与齿轮箱低速端法兰材料球墨铸铁QT400-18AL和QT700-2，在特定环境温湿度及多种接触压强条件下对摩擦垫片的摩擦性能进行了实验分析，后续可进一步拓展材料组合与环境变量的研究范围。
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