磁性联轴器试验设计与验证 *

郑富磊，靳峰雷，杨孔雳，陈树明，秦沈杰，唐剑锋

(1.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413； 2.上海第一机床厂有限公司，上海 201306)

0 引 言

同轴磁性联轴器是示范快堆非能动棒驱动机构(PSR-HRDM)的关键部件之一，是其传动系统和密封边界的重要组成部分。磁性联轴器利用磁力无接触传递扭矩的工作原理，使驱动部分和从动部分完全隔离开来[1]，用于实现输入轴和输出轴之间扭矩的传递，同时也避免了转轴的动密封问题因而不存在外漏的可能性[2]。根据结构不同，磁性联轴器主要分为平面传动联轴器和同轴联轴器两种[3]。在PSR-HRDM中，选用的是同轴型磁性联轴器。

温升和启动偏转角会对PSR-HRDM传递扭矩和传动系统精度产生不利影响。PSR-HRDM要求选用的磁性联轴器不仅能够实现可靠的密封，扭矩输出能力和启动偏转角也均应满足使用要求。考虑到选用的磁性联轴器缺少工作温度下的温升和启动偏转角数据，因此需要设计相关试验，定量确定相关参数。

笔者针对某型用于PSR-HRDM磁性联轴器的温升和启动偏转角，确定了验证指标，设计了试验方案，并进行了试验验证。试验结果表明，该型磁性联轴器可以满足工程需要。

1 磁性联轴器的基本结构

磁性联轴器结构简图如图1所示，包括密封壳、输入轴、内磁环、外磁环和输出轴。输入轴处于反应堆外，与电机连接。输入轴处于反应堆内，与下部传动元件连接。静态时，内、外磁环无相对运动，无扭矩传递。启动时，由于系统摩擦和传动元件惯性的存在，在获得稳定的传递扭矩之前，内磁环需相对外磁环转动一定角度，即启动偏转角φ，该启动偏转角会对系统传动精度产生一定的不利影响。在使用过程中，磁性联轴器温度会随着时间的增加而升高，直至达到热平衡。内外磁环的磁性会随着温度的上升而逐渐减弱，当达到其居里点时，磁性完全丧失。

有必要对PSR-HRDM用磁性联轴器的启动偏转角和温升特点进行定量研究，分析对PSR-HRDM整机的影响。

2 试验设计

2.1 试验对象

试验对象：PSR-HRDM用磁性联轴器，简图如图1所示；内外磁环材料为SmCo。

图1 磁性联轴器基本结构1.密封壳 2.输入轴 3.内磁环 4.外磁环 5.输出轴

2.2 试验条件

试验温度：(55±5)℃，同实际工作环境温度；试验介质：空气，同输入轴侧实际工作环境介质；转速：2 000 r/min。

2.3 试验验证指标

根据PSR-HRDM整机功能指标分解，确定磁性联轴器的试验验证参数与验收指标如表1所列。

表1 磁性联轴器试验验证参数与验收指标

2.4 测量器具

试验用主要测量工具名称、规格型号、精度、量程等相关数据信息，见表2。

表2 试验用测量工具

2.5 试验方法

2.5.1 温升试验

温升试验装置主要由驱动电机、试验用磁性联轴器、动态扭矩传感器、负载电机、空气加热器、红外线温度计等组成。驱动电机安装在磁性联轴器的输出端，是磁性联轴器的驱动装置。动态扭矩传感器用于测量磁性联轴器传递扭矩。负载电机安装在磁性联轴器的输出端，用于模拟相对应的负载扭矩。空气加热器用于控制试验环境温度。红外线温度计用于测试磁性联轴器表面温度。

在额定工作载荷下，间隔固定时间对磁性联轴器表面温度进行监测。当磁性联轴器表面温度连续20 min波动小于±1 ℃时，即认为磁性联轴器达到热平衡。

2.5.2 启动偏转角试验

启动偏转角试验装置主要由：数显倾角仪、静态扭矩传感器、扭矩盘、空气加热器、固定支架、磁性联轴器和红外线温度计等组成。数显倾角仪用于测试磁性联轴器在扭矩作用下的启动偏转角度。静态扭矩传感器用于测试磁性联轴器传递扭矩。扭矩盘用于磁性联轴器受力扭矩发生与调节。空气加热器用于控制试验环境温度。固定支架用于固定磁性联轴器的一端。红外线温度计用于测试磁性联轴器表面温度。

3 试验结果

磁性联轴器在额定负载和室温条件下的温升曲线，如图2所示。将磁性联轴器在额定负载和工作温度范围内(实测为51.4 ℃)连续运行约17 h后，测得其热平衡温度为75 ℃。

磁性联轴器在温度为23.2 ℃和55.8 ℃下的扭矩-启动偏转角曲线，以及在23.2 ℃和55.8 ℃下的扭矩-启动偏转角(取平均值)曲线，分别见图3～5所示。

图2 磁性联轴器温升曲线(室温)

图3 磁性联轴器的扭矩-启动偏转角曲线(23.2 ℃)

图4 磁性联轴器的扭矩-启动偏转角曲线(55.8 ℃)

图5 磁性联轴器的扭矩-启动偏转角曲线对比图

4 试验数据分析

4.1 温升试验

从图2可以看出，试验对象在室温(实测23.6 ℃)、额定负载下以2 000 r/min连续运行，温升速率随时间增加而减缓，在60 min后达到热平衡。热平衡温度约为47 ℃，温升约23.4 ℃。

试验对象在工况温度(55±5 ℃，实测温度为51.4 ℃)、额定负载下以2 000 r/min连续运行，热平衡温度约为75 ℃，温升约23.6 ℃。75 ℃的热平衡温度，远小于常见SmCo材料的居里温度(SmCo5，740 ℃；SmCo17，926 ℃)[4]。

在室温和工作温度下，磁性联轴器温升不超过25 ℃。同时，在试验过程中，磁性联轴器可以连续稳定输出额定负载要求的扭矩。

4.2 启动偏转角试验

从图3、4可以看出，试验对象启动偏转角在试验温度为23.2 ℃和55.8 ℃下：①两次试验数据重合度较好；②启动偏转角为扭矩的反余弦函数，与姜永[3]给出的表达式在趋势上一致；③在额定负载下的启动偏转角约为2.6°。

从图5可以看出，扭矩相同的条件下，温度越高，启动偏转角越大，且二者之间的差值随扭矩的增大而增大，原因是随着环境温度升高，SmCo材料的磁能积会下降。

5 结 论

考虑实际工作温度、介质、转速、负载等因素，针对PSR-HRDM用磁性联轴器的温升和启动偏转角指标，设计了相关试验，并进行了试验验证。试验数据表明结果如下：

(1) 在工作温度和额定负载下连续运行，温升不超过25 ℃，热平衡温度不大于75 ℃，远小于SmCo材料的居里点，可以稳定输出整机要求的传递扭矩。

(2) 在工作温度和额定负载下，启动偏转角不大于2.6°，满足整机传动精度指标要求。

(3) 选用的磁性联轴器，可以满足工程需要。