涂 剛，馬國榮

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸組件與齒輪箱對中調(diào)整裝置

涂 剛，馬國榮

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

隨著風(fēng)電機(jī)組功率的增大，主軸組件與齒輪箱自重增加導(dǎo)致裝配愈來愈困難。介紹了一種具有缷荷機(jī)構(gòu)及6自由度調(diào)整的主軸組件與齒輪箱對中裝置，采用雙表對中測量法，推導(dǎo)出對中量計(jì)算方法。該裝置已獲國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予專利，專利號(hào)（ZL201420758167.X）.

對中；雙表對中法；主軸組件與齒輪箱；6自由度調(diào)整

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對能源的需求越來越大，風(fēng)能作為一種綠色能源，已成為當(dāng)今新能源的重要組成部分。作為雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要部件的主軸組件與齒輪箱裝配質(zhì)量，影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及使用壽命［1］。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主軸組件與齒輪箱輸入端的連接大多采用脹緊套連接，這種連接方式中，脹緊套孔與主軸的配合常為H/g級(jí)配合，這是一種間隙很小的間隙配合。對于2 MW及2 MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，主軸的自重達(dá)十幾噸，齒輪箱的重量更是達(dá)到二十多噸，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸與齒輪箱脹緊套的裝配較為困難。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝廠在大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸與齒輪箱裝配時(shí)，均利用車間行車上的兩個(gè)電動(dòng)葫蘆，由電動(dòng)葫蘆將主軸吊起，通過控制兩個(gè)電動(dòng)葫蘆的起吊高度，將主軸調(diào)整到近似水平，然后由行車將主軸慢慢移至齒輪箱脹緊套附近，再通過塞尺測量或肉眼判斷的方法，一邊用行車移動(dòng)主軸，一邊判斷主軸與齒輪箱是否對中。這種裝配方式需要多人協(xié)同，安裝效率極低，并有可能在對中調(diào)整時(shí)，主軸軸端擦傷脹緊套的內(nèi)壁，影響風(fēng)電機(jī)組使用壽命。

因此，如何提高主軸組件與齒輪箱連接孔的對中精度，解決風(fēng)電機(jī)組隨功率增大，主軸組件與齒輪箱自重增加導(dǎo)致裝配困難和裝配質(zhì)量，設(shè)計(jì)開發(fā)了本風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸組件與齒輪箱對中調(diào)整裝置。

1　安裝裝置對中測量方法選擇

主軸組件與齒輪箱連接孔的對中，主要是測量主軸與齒輪箱連接孔的同軸度即徑向位移或徑向間隙和平行度即角向位移或軸向間隙，對中調(diào)整時(shí)，將主軸與齒輪箱分為基準(zhǔn)端和調(diào)整端，基準(zhǔn)端固定不動(dòng)，由調(diào)整端來調(diào)整被連接軸的位置，使其與基準(zhǔn)端的連接孔對中。本裝置考慮到齒輪箱比主軸組件重，移動(dòng)調(diào)節(jié)比較困難，故選擇齒輪箱為基準(zhǔn)端，主軸組件為調(diào)整端。

1.1主軸與齒輪箱連接孔相對位置［2］

（1）主軸與齒輪箱連接孔中心線同心且平行，誤差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)如圖1（a）.此種情況不需要對中調(diào)整，可直接裝配。

（2）主軸與齒輪箱連接孔孔中心線不同心有平行偏移如圖1（b），需對中調(diào)整。

（3）主軸與齒輪箱連接孔孔中心線同心有偏轉(zhuǎn)角如圖1（c），需對中調(diào)整。

（4）主軸與齒輪箱連接孔中心線不同心且兩軸線間有偏轉(zhuǎn)角如圖1（d），需對中調(diào)整。

圖1　主軸與齒輪箱連接孔位置圖

1.2主軸與齒輪箱連接孔對中測量方法選擇［2］

對中測量的方法有直接測量法和間接測量法兩種方式。

1.2.1直接測量法

直接用直尺、直角尺或塞尺，分別測出兩連接軸外緣的徑向偏差和兩軸端面的軸向間隙，這種方法簡單，但誤差較大。

1.2.2間接測量法

利用千分表或激光對中儀來檢測兩軸線誤差方法。

（1）千分表法測量原理

就是測量兩連接軸的指定測量面上不同方向的相對位置偏移量，通過測量獲得的偏移量來計(jì)算出對中誤差參數(shù)。千分表測量法又可分為雙表測量法、三表測量法、外圓雙表法、單表反表軸測量法。

1）雙表測量法

在基準(zhǔn)端（即固定端）的被連接軸上裝上專用夾具及千分表，使兩只千分表的觸頭指向另一被連接軸的外圓和端面上，兩軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，測出某些方位（0°、90°、180°、270°）的徑向讀數(shù)的同時(shí)，測量出同一方位上的軸向讀數(shù)。該測量方法適用于兩被連接軸能夠通過其他方式連成一體，可同時(shí)旋轉(zhuǎn)并在旋轉(zhuǎn)時(shí)連接軸無軸向竄動(dòng)或竄動(dòng)量較小場合。

2）三表測量法

徑向測量同雙表測量法，不同的是在端面測量方位上安裝了2只對稱布置的千分表，用于消除兩軸旋轉(zhuǎn)時(shí)軸向竄動(dòng)對軸向讀數(shù)的影響。該測量方法適用于兩被連接軸可同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)有較大軸向竄動(dòng)場合。

3）外圓雙表法

是通過相隔一定距離的2個(gè)千分表多點(diǎn)測量外圓的讀數(shù)，確定兩軸相對位置，以此來移動(dòng)調(diào)整端位移量和調(diào)整方向。

4）單表反表軸測量法

是將1只對中表架和千分表分別固定在兩被連接軸的軸上，然后各自轉(zhuǎn)動(dòng)或同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)兩軸，通過千分表測出0°、90°、180°、270°千分表讀數(shù)，通過計(jì)算算出移動(dòng)端的移動(dòng)量。該測量方法適用于兩被連接軸各自轉(zhuǎn)動(dòng)或同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，無關(guān)軸向竄動(dòng)場合。

（2）激光對中儀測量過程

是在特定的測量面（測量面為對中儀的第一反射面所在的平面，測量面垂直于軸線）上的不同方位（0°、90°、180°、270°）測量激光的發(fā)射線與第一反射面的交點(diǎn)位置的移動(dòng)量所對應(yīng)的光學(xué)偏移量，通過測量得到的光學(xué)偏移量來反映出兩軸線的對中誤差參數(shù)。

通過以上對中測量方法的分析，結(jié)合主軸組件與齒輪箱結(jié)構(gòu)形式，主軸無軸向竄動(dòng)，故選擇外圓雙表法進(jìn)行對中測量較為合適。

2　對中調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)主軸軸線與齒輪箱孔中心線可能出現(xiàn)的情況，決定了對中裝置的調(diào)整端（主軸組件端）需要有6個(gè)自由度，即沿主軸軸線方向（X軸向）、與軸線水平面垂向（Y軸向）和高度方向（Z軸向）的移動(dòng)和沿Z軸、Y軸、X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。故對中裝置調(diào)整端由1個(gè)沿主軸軸線向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、2個(gè)軸線垂直水平向調(diào)整機(jī)構(gòu)和2個(gè)高度方向調(diào)整機(jī)構(gòu)及高度方向移動(dòng)的導(dǎo)向裝置、重力卸荷裝置、主軸主支承架、主軸副支承架、齒輪箱支承架、支承架旋轉(zhuǎn)支撐及主副支承架安裝底架、輔助軸、千分表固定支架、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、手輪、踏臺(tái)等組成。

踏臺(tái)是為方便操作人員在對中調(diào)整時(shí)觀察及檢測時(shí)而設(shè)置。對中調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2　對中調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)組成

2.1軸線水平面垂向移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

主、副支承架的主軸水平面垂向移動(dòng)機(jī)構(gòu)（Y軸向）為兩個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由螺旋傳動(dòng)［3］、定位精確的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、支承架等組成。支承架放置在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌上，螺旋傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸組件移動(dòng)。為易于控制調(diào)整量，螺旋傳動(dòng)裝置的動(dòng)力采用手動(dòng)方式，傳動(dòng)裝置自鎖，保持已調(diào)整完的主軸位置。

2.2高度方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

主、副支承架的高度方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由斜面機(jī)構(gòu)［3］、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)導(dǎo)向裝置、重力負(fù)荷卸載裝置等組成，斜面機(jī)構(gòu)支承在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌上。主軸組件高度方向調(diào)節(jié)時(shí)，搖動(dòng)手輪帶動(dòng)斜面機(jī)構(gòu)向內(nèi)或外移動(dòng)，從而使主軸組件升高或降低。由于主軸組件（包括支承架）重量較重，雖經(jīng)斜面機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)的省力作用，但操作人員操作時(shí)仍感到困難。故本機(jī)構(gòu)專門設(shè)計(jì)了重力負(fù)荷卸載裝置，它由蝶形彈簧和調(diào)節(jié)螺母構(gòu)成，蝶形彈簧承載了大部分主軸組件（包括支承架）的重量，減輕了斜面螺旋機(jī)構(gòu)的負(fù)載，使得操作變輕松。

2.3軸線方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于主軸與齒輪箱連接孔配合長度較長，故該機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)加助力機(jī)構(gòu)的組合形式，用于將對中調(diào)整后的主軸組件快速送入齒輪箱孔內(nèi)，完成主軸組件與齒輪箱的裝配或用于主軸組件與齒輪箱裝配時(shí)主軸卡阻時(shí)的主軸退出。

3　對中安裝裝置六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)

3.1軸線向移動(dòng)

主軸沿軸線方向移動(dòng)時(shí)，手動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)，在助力機(jī)構(gòu)輔助力作用下，將主軸組件裝入齒輪箱的脹緊套內(nèi)。

3.2水平面內(nèi)的垂向移動(dòng)

同向轉(zhuǎn)動(dòng)副支承架和主支承架的軸線垂向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，對中裝置帶動(dòng)主軸組件沿水平面內(nèi)的垂向直線運(yùn)動(dòng)。

3.3高度方向移動(dòng)

同向操作副支承架和主支承架的螺旋與斜面組合機(jī)構(gòu)，對中裝置帶動(dòng)主軸組件上下移動(dòng)。

3.4主軸豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)

異向或異步操作副支承架和主支承架的螺旋斜面組合機(jī)構(gòu)，使它們錯(cuò)位移動(dòng)，或使主副支承架的螺旋與斜面組合機(jī)構(gòu)一端靜止，另一端上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主軸在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.5主軸水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)

異向或異步操作副支承架和主支承架3的軸線垂向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使它們錯(cuò)位移動(dòng)、或使主副支承架一端靜止另一端移動(dòng)，使主軸在水平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。

3.6主軸沿軸線旋轉(zhuǎn)

主軸組件放置在頂端帶滾輪的“V”形主、副支承架上，因此主軸組件可沿主軸軸線旋轉(zhuǎn)。

4　對中調(diào)整量計(jì)算

主軸與齒輪箱對中調(diào)整以連接孔軸線為基準(zhǔn)軸線，先調(diào)整主軸與基準(zhǔn)軸線的偏角，后調(diào)整主軸與基準(zhǔn)軸線的偏距。輔助軸和千分表固定方式如圖3所示。

圖3　輔助軸和千分表安裝

（1）將輔助軸套入齒輪箱連接孔內(nèi)，裝有2只千分表的表架固定在輔助軸上，輔助軸可沿齒輪箱連接孔旋轉(zhuǎn)；

（2）與千分表接觸的主軸上至少在0°、90°、180°、270°作標(biāo)記，主軸上等分點(diǎn)越多，測得的調(diào)整量越正確；

（3）表架剛度和主軸加工綜合誤差檢測。千分表不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)主軸一圈測出在a1、a2、a3、a4的讀數(shù)和b1、b2、b3、b4的讀數(shù)，a3－a1、a4－a2、b3－b1、b4－b2即為A、B處的表架剛度和主軸加工綜合誤差Δa和Δb，需將該值度計(jì)入千分表讀數(shù)。

（4）旋轉(zhuǎn)輔助軸千分表隨輔助軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄a1、a2、a3、a4的讀數(shù)和 b1、b2、b3、b4的讀數(shù)，若 a3－a1＝a4－a2＝b3－b1＝b4－b2＝Δa＝Δb（注意Δa和Δb的正負(fù)符號(hào)，須同符號(hào)），則齒輪箱連接孔與主軸同軸；

（5）若a3－a1、a4－a2、b3－b1、b4－b2任一組數(shù)值大于綜合誤差，則說明齒輪箱連接孔與主軸為偏心；

（6）主軸與齒輪箱連接孔中心線不同心且兩軸線間有偏轉(zhuǎn)角時(shí)，對中調(diào)整量計(jì)算。如圖4所示，垂向偏角調(diào)整時(shí)，主軸支撐點(diǎn)2處調(diào)整量：

圖4　主軸軸線與齒輪箱連接孔軸線位置

多次旋轉(zhuǎn)輔助軸，測出a1、a3的讀數(shù)和b1、b3的讀數(shù)使得a3－a1＝b4－b2即為偏角調(diào)整完畢，水平向偏角調(diào)整方式同垂向偏角調(diào)整。

（7）偏角調(diào)整完畢，主軸軸線與齒輪箱連接孔軸線平行，但可能存在偏距，垂直面高度向調(diào)整量為旋轉(zhuǎn)輔助軸，測出a1、a3的讀數(shù)和b1、b3的讀數(shù)，主軸支撐點(diǎn)1和主軸支撐點(diǎn)2同時(shí)升高量：

水平面內(nèi)偏距調(diào)整量計(jì)算方式同垂直面高度向調(diào)整。

5　結(jié)束語

本文詳述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸組件與齒輪箱對中調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)組成及主軸組件6自由度實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)對主軸組件與齒輪箱連接孔如何對中測量和計(jì)算進(jìn)行了闡述。本對中裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）豎向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和水平面內(nèi)的垂向移動(dòng)均設(shè)置有助力機(jī)構(gòu)，因此，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率增大而引起主軸重量增加時(shí)，可通過調(diào)整助力機(jī)構(gòu)的輔助力，使操作人員的操作力保持在人體工程學(xué)推薦的精確安裝時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力，保證調(diào)整時(shí)對中精度穩(wěn)定性和高效率，并可適用寬廣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率范圍。

（2）主軸由主支承架和副支承架支承，副支承架為上下分體結(jié)構(gòu)，上部分為滾動(dòng)式“V”形結(jié)構(gòu)，下部分用于安裝調(diào)整機(jī)構(gòu)，上下兩部分間設(shè)置旋轉(zhuǎn)支承，可相對轉(zhuǎn)動(dòng)，便于主軸在水平面內(nèi)角度調(diào)整時(shí)，靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）上下高度調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺旋斜面組合機(jī)構(gòu)，調(diào)整裝置在高度方向調(diào)整后能定位自鎖，并可精確微調(diào)，保證調(diào)整對中精度。

（4）主軸軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)加助力機(jī)構(gòu)的組合形式，滿足主軸裝入齒輪箱的脹緊套時(shí)，可隨動(dòng)隨停靈活性，又可在助力機(jī)構(gòu)作用下，快速將主軸裝入脹緊套內(nèi)，提高裝配效率。

［1］葉杭冶，許國東，史曉鳴，等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］孫愛萍，趙博龍，范喜頻.旋轉(zhuǎn)設(shè)備安裝中聯(lián)軸器的找正與對中［J］.石油化工建設(shè)，2009，（6）：72-73.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Device for Alignment of Spindle Unit with Gear Box of Wind Turbine Generator System

TU Gang，MA Guo-rong
（Zhejiang Windey Co.，LTD，State Key Lab of Wind Power System，Hangzhou Zhejiang 310012，China）

With the increase of power of wind turbine generator system （WTGS），and increased dead-weight of spindle and gear box will lead to their difficult connection.Description was made on a device for alignment of spindle unit with gear box with unloading and 6 freedom adjusted mechanism.Calculation method was derived from alignment determination by double dia indicator.The device was patented by SIPO with patent number of ZL201420758167.X.

alignment；double dia indicator alignment；spindle and gear box；six freedom adjusted mechanism

TK83

A

1672-545X（2016）07-0173-04

2016-04-15

涂剛（1979-），男，浙江人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)質(zhì)量管理。