謝春普，陳宏偉，張樹慶，李國莉

(1．滄州東塑集團滄州明珠塑料股份有限公司，河北 滄州 061000;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著煤、石油等化石燃料儲藏量的日益減少和對環(huán)境保護要求的進一步提高，近十年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展尤為迅速。風(fēng)機單機容量從最初約數(shù)千瓦到今天的數(shù)兆瓦，規(guī)格在迅速增大。目前世界上單機容量最大的風(fēng)力發(fā)電機組為6 MW，單機容量大規(guī)格化已成為風(fēng)電機組發(fā)展的必然方向。

由于工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性以及載荷的不確定性，風(fēng)力發(fā)電增速箱是風(fēng)電成套設(shè)備中故障率較高的部件，風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)一直是困擾我國乃至世界風(fēng)電快速發(fā)展的重要因素。因此該增速箱在設(shè)計、制造、試驗、使用以及維護上比一般工業(yè)齒輪箱的要求更高。針對要求該增速箱具備承載能力高、體積小、重量輕、可靠性高和壽命長等特點，本文介紹了兆瓦級增速箱的設(shè)計特點及選型。

1 傳動型式的選擇

目前風(fēng)電增速箱多采用一級行星加兩級圓柱齒輪傳動、兩級行星齒輪傳動、兩級行星加一級圓柱齒輪傳動等傳動型式，三種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點:

一級行星加兩級圓柱齒輪傳動型式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、制造成本低等特點;

兩級行星齒輪傳動型式具有速比范圍較大、承載能力較高、體積小等特點;

兩級行星加一級圓柱齒輪傳動型式具有速比范圍大、承載能力高、制造成本較高等特點。

目前風(fēng)電增速箱產(chǎn)品中0.6～2 MW增速箱多采用一級行星加兩級圓柱齒輪傳動型式，如圖1所示;2.0 MW及以上增速箱多采用兩級行星加一級圓柱齒輪傳動型式，如圖2所示。

同時一些國際知名公司也開發(fā)了其它具有一定特色的傳動型式，如 Renk的 NW傳動、Rexroth的行星差動分流型、Voith的恒輸出轉(zhuǎn)速型等。

2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)的合理選擇

齒輪是風(fēng)電增速箱的關(guān)鍵部件，是決定增速箱能否穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的重要因素，對齒輪設(shè)計的要求有以下幾點:

(1)其中齒面、齒根和齒面抗微點蝕所需的最小安全系數(shù)見表1;

表1 最小安全系數(shù)Table 1 Minimum safety factor

(2)外齒輪的精度應(yīng)不低于GB/T 10095規(guī)定的5級，內(nèi)齒圈齒輪的精度應(yīng)不低于6級;

(3)齒輪所用材料要滿足機械強度條件，一般采用17CrNiMo6等優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼鍛造，等級不低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的2級，采用滲碳、淬火、磨齒和超精研磨工藝。

(4)按ISOTR15144－1計算齒輪的微點蝕安全系數(shù);

(5)由于風(fēng)力發(fā)電增速箱輸入軸承受附加動載荷，使得齒輪承受附加動載荷，齒輪設(shè)計中應(yīng)充分考慮這一因素，合理選用動載系數(shù);

(6)工作中由于箱體和行星架等零部件變形、制造公差、裝配側(cè)隙和剛度等因素影響，會使行星輪載荷的分配不均勻，因此必須考慮載荷分布系數(shù)Kγ對實際齒輪強度的影響。根據(jù)行星輪數(shù)量確定載荷分布系數(shù)，Kγ值見表2。

表2 載荷分布系數(shù)Table 2 Load distribution coefficient

2.2 均載機構(gòu)的設(shè)計

為滿足風(fēng)電增速箱高承載能力的要求，在增速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮均載性要求，提高承載能力和產(chǎn)品壽命。

常用的均載結(jié)構(gòu):①太陽輪浮動，鼓形齒連接的均載結(jié)構(gòu);②太陽輪浮動，柔性花鍵的均載結(jié)構(gòu)。

目前某軸承商正在開發(fā)行星輪集成式柔性銷軸承及均載機構(gòu)，主要原理是將齒輪與軸承的外圈集成，套筒與軸承的內(nèi)圈集成，集成式柔性銷軸承如圖3所示。

圖3 集成式柔性銷軸承及均載機構(gòu)Fig.3 Integrated flexible pin bearing and equal load mechanism

2.3 抗微點蝕措施

研究發(fā)現(xiàn)，造成風(fēng)電齒輪箱失效的部分原因是齒面產(chǎn)生微點蝕現(xiàn)象，微點蝕多出現(xiàn)在齒頂和齒根部位，因表面疲勞導(dǎo)致齒面上出現(xiàn)微小的點蝕(1 μ)或斑點，使局部變得粗燥，引起齒輪振動、噪音等，最終導(dǎo)致齒面應(yīng)力集中，縮短了齒輪壽命。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采取以下措施可以降低微點蝕的危害。

(1)齒輪超精研磨工藝，提高齒輪表面粗糙度;

(2)精確的齒輪修形，降低齒面載荷;

(3)選用專用抗微點蝕的合成齒輪油;

(4)按ISOTR15144－1計算齒輪的微點蝕安全系數(shù)，GL認(rèn)證要求按SA≥1.2。

風(fēng)電齒輪箱具有齒面硬度高、承受載荷大、運行工況復(fù)雜等特點，發(fā)生微點蝕的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通齒輪箱，因此在進行風(fēng)電齒輪箱設(shè)計時，必須對微點蝕進行校核計算。目前國內(nèi)幾款傳動系統(tǒng)設(shè)計軟件，都有微點蝕計算功能，如:Romax、Kisssoft等。采用先進計算程序可以提高設(shè)計效率和計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.4 軸承的設(shè)計

風(fēng)電機組運行過程中，齒輪箱往往過早損壞，其原因主要是風(fēng)電齒輪箱軸承在復(fù)雜載荷作用下壽命難以估算，導(dǎo)致軸承過早損壞，另外盡管目前對軸承壽命的計算方法很多，但并沒有準(zhǔn)確評估風(fēng)電齒輪箱軸承壽命的計算方法，風(fēng)電齒輪箱軸承的設(shè)計和計算對風(fēng)電齒輪箱發(fā)展具有重要的意義。

在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電增速箱中，目前比較常用的軸承配置型式如圖4所示。

圖4 軸承配置型式Fig.4 Bearing configuration

在一級行星加兩級圓柱的增速箱中，對于一點支撐的增速箱，輸入軸(行星架)可以選用圓錐滾子軸承，這樣剛性及抵御外來附加力的性能好;對于兩點或三點支撐的增速箱，輸入軸(行星架)可以選用滿裝圓柱滾子軸承。

對于圓柱齒輪部分，在高速軸上應(yīng)用較多的有兩種方案:一種是四點接觸球軸承和圓柱滾子軸承組合使用;另一種是雙圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合使用，兩種方案都把圓柱滾子軸承放在了浮動端。對于中間軸和低速軸:一種是雙列錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合使用，另一種是兩個調(diào)心軸承配對使用。

對于行星輪部分，由于空間受限，承受的載荷大，一般選用多列圓柱滾子軸承，如圖5所示。目前軸承商開發(fā)了具有特色的行星輪內(nèi)用無外圈的圓錐滾子軸承，可承受較大的載荷。

圖5 太陽輪軸承配用型式Fig.5 Bearing configuration of sun gear

2.5 軸承壽命計算

在風(fēng)力發(fā)電增速箱中，無論是設(shè)計規(guī)范還是認(rèn)證，對軸承壽命均有要求，必須嚴(yán)格遵守。AGMA6006標(biāo)準(zhǔn)以軸承的基本額定壽命作為判斷依據(jù)，根據(jù)軸承位置的不同，基于增速箱20年的設(shè)計壽命，規(guī)定了增速箱各處軸承的最小基本額定壽命見表3。

表3 軸承的最小基本額定壽命Table 3 Minimum rated life of bearings

GB/T 19073等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軸承的修正額定壽命不小于13萬h。各軸承生產(chǎn)廠家也根據(jù)各自的研究成果及標(biāo)準(zhǔn)，提出了類似的修正額定壽命的計算方法。

式中，a1為可靠性系數(shù);a2為材料系數(shù);a3為壽命系數(shù);L10為基本額定壽命;C為基本額定動載荷;P為當(dāng)量動載荷;p為壽命指數(shù)。a3與軸承的類型、尺寸有關(guān)，與選用的潤滑油類型、牌號有關(guān)，與潤滑系統(tǒng)的清潔度或污染度等因素有關(guān)。

a3的計算較為復(fù)雜，影響因素多，計算結(jié)果離散性大。

3 關(guān)鍵部件的有限元分析

兆瓦級風(fēng)電增速箱載荷變化大、工況惡劣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計計算方法很難對其進行精確的應(yīng)力、變形計算和分析，使用有限元等現(xiàn)代方法進行計算和優(yōu)化能很好地解決這一問題。通過有限元分析軟件，可以精確獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形的數(shù)據(jù)和位置，能實現(xiàn)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強度和剛度的校核和改進優(yōu)化。

某1.5 MW風(fēng)電齒輪箱機體、內(nèi)齒圈、前機蓋等關(guān)鍵部件的有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 1.5 MW風(fēng)電齒輪箱有限元分析結(jié)果Fig.6 Result of finite element analysis for 1.5 MW turbine gearbox

4 潤滑油及潤滑系統(tǒng)

4.1 潤滑油的選擇

由于風(fēng)力發(fā)電機多安裝在空曠、多風(fēng)地區(qū)，增速齒輪箱的工作環(huán)境屬于高低溫變化、高濕氣，加上較大的扭力負(fù)荷，因此其中的潤滑油受氣候溫差、濕度等影響較大。另外風(fēng)電機組處于相對偏遠(yuǎn)的地區(qū)，維修不便，因此設(shè)計要求齒輪箱使用的齒輪油應(yīng)具有以下特點:

(1)具有良好的極壓抗磨性能、高溫降解抵抗力、熱氧化穩(wěn)定性、水解安定性、抗微點蝕、抗乳化性能、防腐防銹性能;

(2)要求低溫流動性能以及長的使用壽命，能改善齒輪傳動效率。一般選用合成工業(yè)齒輪油，如美孚的SHCXMP320等。

4.2 潤滑油過濾系統(tǒng)

要長時間保持齒輪油的特性，除了使用高性能的潤滑油，更多的還需要保持油系統(tǒng)盡可能的清潔。顆粒物、水分和氧化產(chǎn)物等污染物對油以及設(shè)備本身都有較大的危害。一旦齒輪齒面和軸承磨損過度，將需要維修或更換部件，檢修和配件的費用，再加上動用大型設(shè)備，以及停機時間造成的發(fā)電量損失，整個維修成本會相當(dāng)高。

在風(fēng)機齒輪箱的潤滑系統(tǒng)上，設(shè)計有在線過濾器，為保證在線潤滑系統(tǒng)的流量，這種過濾器一般過濾精度大多為10～20 μm。

事實上，在線過濾器很好地保護了潤滑系統(tǒng)，但其本身并不能完全滿足風(fēng)機齒輪箱對潤滑油清潔度的要求以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足風(fēng)電齒輪箱的潤滑油清潔度要求，提高齒輪箱系統(tǒng)運行的可靠性，在線潤滑系統(tǒng)對油的流量有一定要求。所以，一般無法在在線系統(tǒng)中使用精度更高的過濾器，且一般過濾器均為表面性過濾，無法去除水分和氧化物，為此還需設(shè)計精度更高、功能更全的離線精濾器，以解決油品的清潔度不達標(biāo)的問題，以保證油系統(tǒng)的清潔度維持在理想水平，延長油品和齒輪箱的壽命。

5 結(jié)論

本文從兆瓦級風(fēng)電增速箱的傳動型式、微點蝕處理、均載設(shè)計、軸承配置等方面分析了兆瓦級風(fēng)電增速箱的設(shè)計特點。采用Anysys軟件對風(fēng)電增速箱的關(guān)鍵部件進行了分析，為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電增速箱的設(shè)計提供參考。

［1］ 張立勇．大型風(fēng)電齒輪箱均載性能研究及優(yōu)化［D］．北京:機械科學(xué)研究總院，2009．

［2］ 董進朝．大型風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)研究［D］．北京:機械科學(xué)研究總院，2007．

［3］ GB/T 19073－2003，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003．

［4］ 董進朝，劉忠明．風(fēng)電齒輪箱軸承壽命計算方法研究［J］．機械傳動，2007(5)．

［5］ 邢子坤，王建宏．基于動力學(xué)和可靠性的風(fēng)力發(fā)電齒輪傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［J］．機械工程學(xué)報，2008(7)．

［6］ 張展．風(fēng)力發(fā)電機組的傳動裝置［J］．傳動技術(shù)，2003(2)．