石軍， 劉波， 周紫燕

（株洲市九洲傳動機(jī)械設(shè)備有限公司，湖南 株洲 421000）

0 引言

我國疆域遼闊，能源豐富。隨著節(jié)能環(huán)保意識的不斷深入人心，國家對清潔能源-風(fēng)能的開發(fā)力度不斷加大，但很多風(fēng)能富集的地區(qū)處在冬季較為寒冷的東北、華北、西北地區(qū)，這些地區(qū)冬季溫度低至-20℃左右，而且風(fēng)場常常處在荒郊野外，不利于風(fēng)場內(nèi)設(shè)備的維護(hù)，這就要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的變槳減速機(jī)低溫下也能夠可靠地運行。正因如此苛刻的要求，我國風(fēng)電變槳減速機(jī)目前還主要依賴于進(jìn)口，若能將變槳減速機(jī)國產(chǎn)化，將為企業(yè)帶來巨大效益。文獻(xiàn)［1］雖然對多級NGW行星結(jié)構(gòu)的變槳減速機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，具有重量輕、傳動比范圍大、效率高、功率密度高等優(yōu)點，但未對變槳減速機(jī)在低溫環(huán)境下的可靠性予以考慮。目前由于風(fēng)電機(jī)組絕大部分使用進(jìn)口變槳減速機(jī)，國內(nèi)暫無與風(fēng)電減速機(jī)低溫環(huán)境下可靠性相關(guān)的文獻(xiàn)可查。本文針對變槳減速機(jī)惡劣的工作環(huán)境，對箱體材料進(jìn)行了等效替換，對減速機(jī)的潤滑與密封進(jìn)行了合理的設(shè)計，并用ANSYS有限元軟件分析以及模擬試驗的方式進(jìn)一步驗證了本設(shè)計中的變槳減速機(jī)在低溫環(huán)境下的可靠性，為變槳減速機(jī)的國產(chǎn)化打下堅實的基礎(chǔ)。

1 變槳減速機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計輸入?yún)?shù)

工作最低溫度為-20℃，服役時間為170 000 h，輸入轉(zhuǎn)速為1 700 r·min-1，額定功率為9.8 kW，額定輸出轉(zhuǎn)矩為10 kN·m，傳動比為 190。

1.2 減速機(jī)的主要參數(shù)

根據(jù)減速機(jī)的使用情況與特點將其設(shè)計為行星齒輪結(jié)構(gòu)，圖1為單級結(jié)構(gòu)傳動簡圖。

傳動比的分配原則是以各級之間獲得等強(qiáng)度和最小外廓尺寸為原則［2］。

齒輪齒數(shù)的分配滿足如下條件［2-3］：

1）約束條件：zb=（iabH-1）za。

2）同心條件：

圖1 單級傳動簡圖

3）裝配條件。太陽輪和內(nèi)齒圈之和應(yīng)等于行星輪個數(shù)的整數(shù)倍，即（za+zb）/np=q。

4）鄰接條件：兩個行星輪的中心距要大于最大行星輪的直徑，即

遵循以上原則確定變槳減速機(jī)齒輪傳動參數(shù)如表1。

表1 變槳減速機(jī)的主要參數(shù)

1.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的變槳減速機(jī)為三級NGW行星齒輪減速器，結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 變槳結(jié)構(gòu)圖

2 各種材料的選用

物質(zhì)由分子組成，分子間距和分子運動決定了物質(zhì)的熱脹冷縮特牲。低溫下，分子運動減速，分子間距減小，物質(zhì)收縮，延展性差，脆性增加，即產(chǎn)生所謂的冷脆現(xiàn)象［4］。

低溫條件下材料的選擇至關(guān)重要，它是產(chǎn)品在低溫條件下正常運轉(zhuǎn)的保證。而齒輪箱材料的選擇，主要考慮兩個方面：一是形成齒輪箱主體的金屬材料；二是保證這些金屬材料正常工作的潤滑系統(tǒng)。金屬材料中包括相對較脆的殼體和塑性材料的齒輪傳動系統(tǒng)。塑性材料的齒輪等零件由于相對運動會產(chǎn)生熱，而且材質(zhì)為塑性材料，所以在-20～+50℃的溫度條件下可不考慮低溫的可靠性問題，重點考慮相對較脆的箱體。為了保證潤滑系統(tǒng)的正常工作，要對潤滑油和密封件予以重點考慮。

2.1 箱體

在低溫下，一般金屬材料的沖擊韌性和塑性會減小，變得冷脆，而彈性極限會增大，如鐵的沖擊韌性在+20℃時為 21～24 J/cm2，但-40℃時則降為 8 J/cm2［5］。對此，在常溫下加工的冷沖件，即使有一小瑕疵，低溫下都會因冷脆造成應(yīng)力集中而損壞。

箱體材料為QT400-18，其具有良好的焊接性和切削加工性。常溫時沖擊韌性高，而且脆性轉(zhuǎn)變溫度低，低溫韌性也好，適合在低溫環(huán)境下工作。所述的沖擊韌性即材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力。而材料的沖擊韌性隨溫度的下降而下降。所以用沖擊韌性這個指標(biāo)來衡量箱體材料的可靠性是科學(xué)的。在國外，偏航和變槳箱體的材料常用EN-GJS-350-22，而且技術(shù)非常成熟。但在國內(nèi)材料難于采購，而且考慮制造成本因素，我們將EN-GJS-350-22用QT400-18替代。下面將BJ20變槳減速機(jī)的箱體材料QT400-18的不同溫度的沖擊韌性（表2）［5］與國外常用的EN-GJS-350-22材料的不同溫度的沖擊韌性（表 3）［5］進(jìn)行對比。

通過對比可知兩種材料在-20±2℃時的沖擊韌性值基本相同，平均都為12 J/cm2，箱體材料滿足低溫下的可靠性要求。

表2 QT400-18單鑄試塊V型缺口試樣的沖擊值

表3 EN-GJS-350-22單鑄試塊V型缺口試樣的沖擊值

2.2 潤滑油

BJ20變槳減速機(jī)上應(yīng)用的潤滑油為Mobil SHC XMP320，潤滑脂為 Mobilith SHC 460WT。

美孚齒輪油SHC XMP系列性能卓越、為全合成的工業(yè)齒輪油，專門為了最佳地保護(hù)設(shè)備和延長油品壽命而研制，可在極端惡劣的條件下工作。它們經(jīng)特別調(diào)制，能防止表面經(jīng)熱處理而硬化的新型齒輪發(fā)生微點蝕，并可在高、低溫環(huán)境中工作。特別適用于承受極重負(fù)荷兼有沖擊負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、地處偏遠(yuǎn)的設(shè)備及在嚴(yán)寒下運行的設(shè)備使用。Mobil SHC XMP320的最低溫度流動點為-38℃。

Mobil SHC潤滑脂460WT是一種高性能潤滑脂，該潤滑脂具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，采用特殊的添加劑組合配方，在高溫和低溫條件下提供出色的防磨損、防銹、防腐蝕保護(hù)。專門用于潤滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)及主軸承的潤滑。所以潤滑油即使在-20℃的溫度下也能夠正常工作。

2.3 密封件

不同密封圈彈性體使用溫度范圍是不同的，在低溫環(huán)境下密封圈材質(zhì)選擇非常重要，BJ20變槳減速機(jī)的密封圈的材質(zhì)為FVMQ/GECO。

覆硅橡膠（FVMQ）的物理性能類似于硅橡膠，但提高了耐燃油和礦物油的性能，具有優(yōu)異的低溫彈性。溫度范圍：-60～177 ℃。

氯醇橡膠（GECO）可以以單聚物（CO）、共聚物（ECO，GCO）和三聚物（GECO）3種形式。所有的氯醇橡膠都有良好的低溫彈性，良好的耐油性、燃油和溶劑特性，良好的耐候性能和動態(tài)特性。溫度范圍：-40～125 ℃［6］。

因此變槳減速機(jī)上密封圈所選材質(zhì)可以在低溫環(huán)境下可靠工作。

3 變槳減速機(jī)箱體的有限元分析

本設(shè)計中為將產(chǎn)品國產(chǎn)化，將減速機(jī)的材料替換成了QT400-18AL，并用ANSYS對箱體的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。變槳減速機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)T=10 kN·m，機(jī)殼材料為QT400-18AL，其抗拉強(qiáng)度σb=400 MPa，屈服強(qiáng)度為250 MPa，彈性模量 E=150 000 MPa，泊松比 μ=0.25。用ANSYS對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖3，網(wǎng)格模型的單元數(shù)目為321 256，節(jié)點數(shù)目為434 800。

圖3 裝配體網(wǎng)格模型

對模型施加邊界條件，進(jìn)行計算，計算結(jié)果的平均應(yīng)力云圖如圖4。ANSYS仿真模擬分析結(jié)果如表4。

圖4 裝配體平均應(yīng)力云圖

表4 殼體各零件的最大應(yīng)力和最大變形

對于裝配外殼，最大應(yīng)力為153.08 MPa，位于殼體1上，最大變形為0.03 mm，位于機(jī)殼1上，殼體的材料是QT400-18AL，根據(jù)分析參數(shù)可知QT400-18AL的抗拉強(qiáng)度為400 MPa，屈服強(qiáng)度為250 MPa，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而驗證了QT400-18AL能夠滿足強(qiáng)度要求。

4 模擬加載試驗

為驗證BJ20變槳減速機(jī)在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性，我們對其做了模擬低溫環(huán)境下的試驗。將BJ20變槳減速機(jī)放在低溫冷凍箱內(nèi)冷凍至-40℃，然后對其進(jìn)行模擬加載試驗，表5為模擬加載試驗的試驗設(shè)定參數(shù)。

圖5為兩臺變槳減速機(jī)背靠背在試驗臺上做試驗，試驗后未發(fā)生漏油、裂紋等失效。進(jìn)一步驗證了變槳減速機(jī)在低溫環(huán)境下運行的可靠性。

表5 變槳減速機(jī)加載試驗設(shè)定參數(shù)

圖5 減速機(jī)的模擬加載試驗

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種能在低溫惡劣環(huán)境下工作的風(fēng)力發(fā)電變槳減速機(jī)，試驗結(jié)果表明：在變槳減速機(jī)設(shè)計過程中用材料QT400-18代替國外常用的EN-GJS-350-22材料以及對箱體、密封件和潤滑油的合理設(shè)計和選型，可保證變槳減速機(jī)在低溫環(huán)境下可靠運轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)風(fēng)電變槳減速機(jī)的國產(chǎn)化。

［1］ 洪雷,李學(xué)明,王進(jìn)戈.多級NGW行星齒輪傳動的設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計，2011，35（6）：52-55.

［2］ 張展.實用齒輪設(shè)計計算手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

［4］ 于永泗,齊民.機(jī)械工程材料［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.

［5］ 張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查實用手冊［M［.北京：中國科技文化出版社，2005.

［6］ 李洪.機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.