大功率風(fēng)電增速箱設(shè)計(jì)

謝春普，陳宏偉，張樹慶，李國莉

(1．滄州東塑集團(tuán)滄州明珠塑料股份有限公司，河北 滄州 061000;2．中國重型機(jī)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(chǔ)藏量的日益減少和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的進(jìn)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(jī)單機(jī)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(jī)容量最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為6 MW，單機(jī)容量大規(guī)格化已成為風(fēng)電機(jī)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(jì)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(jì)、制造、試驗(yàn)、使用以及維護(hù)上比一般工業(yè)齒輪箱的要求更高。針對(duì)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(diǎn)，本文介紹了兆瓦級(jí)增速箱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及選型。

1 傳動(dòng)型式的選擇

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

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

兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)型式具有速比范圍較大、承載能力較高、體積小等特點(diǎn);

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

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

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

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素，對(duì)齒輪設(shè)計(jì)的要求有以下幾點(diǎn):

(1)其中齒面、齒根和齒面抗微點(diǎn)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(jí)，內(nèi)齒圈齒輪的精度應(yīng)不低于6級(jí);

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

(4)按ISOTR15144－1計(jì)算齒輪的微點(diǎn)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(dòng)載荷，使得齒輪承受附加動(dòng)載荷，齒輪設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這一因素，合理選用動(dòng)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(huì)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(duì)實(shí)際齒輪強(qiáng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)，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(dòng)，鼓形齒連接的均載結(jié)構(gòu);②太陽輪浮動(dòng)，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(jī)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(jī)構(gòu)Fig.3 Integrated flexible pin bearing and equal load mechanism

2.3 抗微點(diǎn)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(diǎn)蝕現(xiàn)象，微點(diǎn)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(diǎn)蝕(1 μ)或斑點(diǎn)，使局部變得粗燥，引起齒輪振動(dòng)、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(diǎn)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(diǎn)蝕的合成齒輪油;

(4)按ISOTR15144－1計(jì)算齒輪的微點(diǎn)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(yùn)行工況復(fù)雜等特點(diǎn)，發(fā)生微點(diǎn)蝕的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通齒輪箱，因此在進(jìn)行風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)微點(diǎn)蝕進(jìn)行校核計(jì)算。目前國內(nèi)幾款傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，都有微點(diǎn)蝕計(jì)算功能，如:Romax、Kisssoft等。采用先進(jìn)計(jì)算程序可以提高設(shè)計(jì)效率和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.4 軸承的設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(duì)軸承壽命的計(jì)算方法很多，但并沒有準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電齒輪箱軸承壽命的計(jì)算方法，風(fēng)電齒輪箱軸承的設(shè)計(jì)和計(jì)算對(duì)風(fēng)電齒輪箱發(fā)展具有重要的意義。

在兆瓦級(jí)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(jí)行星加兩級(jí)圓柱的增速箱中，對(duì)于一點(diǎn)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(duì)于兩點(diǎn)或三點(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(dòng)端。對(duì)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(gè)調(diào)心軸承配對(duì)使用。

對(duì)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(jì)算

在風(fēng)力發(fā)電增速箱中，無論是設(shè)計(jì)規(guī)范還是認(rèn)證，對(duì)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(jì)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(jì)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(dòng)載荷;P為當(dāng)量動(dòng)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(hào)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(jì)算較為復(fù)雜，影響因素多，計(jì)算結(jié)果離散性大。

3 關(guān)鍵部件的有限元分析

兆瓦級(jí)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(jì)計(jì)算方法很難對(duì)其進(jìn)行精確的應(yīng)力、變形計(jì)算和分析，使用有限元等現(xiàn)代方法進(jìn)行計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核和改進(jìn)優(yōu)化。

某1.5 MW風(fēng)電齒輪箱機(jī)體、內(nèi)齒圈、前機(jī)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(jī)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(jī)組處于相對(duì)偏遠(yuǎn)的地區(qū)，維修不便，因此設(shè)計(jì)要求齒輪箱使用的齒輪油應(yīng)具有以下特點(diǎn):

(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(diǎn)蝕、抗乳化性能、防腐防銹性能;

(2)要求低溫流動(dòng)性能以及長的使用壽命，能改善齒輪傳動(dòng)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(shí)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(duì)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(fèi)用，再加上動(dòng)用大型設(shè)備，以及停機(jī)時(shí)間造成的發(fā)電量損失，整個(gè)維修成本會(huì)相當(dāng)高。

在風(fēng)機(jī)齒輪箱的潤滑系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)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(shí)上，在線過濾器很好地保護(hù)了潤滑系統(tǒng)，但其本身并不能完全滿足風(fēng)機(jī)齒輪箱對(duì)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(yùn)行的可靠性，在線潤滑系統(tǒng)對(duì)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(jì)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(dá)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(jí)風(fēng)電增速箱的傳動(dòng)型式、微點(diǎn)蝕處理、均載設(shè)計(jì)、軸承配置等方面分析了兆瓦級(jí)風(fēng)電增速箱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。采用Anysys軟件對(duì)風(fēng)電增速箱的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析，為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電增速箱的設(shè)計(jì)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(jī)械科學(xué)研究總院，2009．

［2］ 董進(jìn)朝．大型風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］．北京:機(jī)械科學(xué)研究總院，2007．

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

［4］ 董進(jìn)朝，劉忠明．風(fēng)電齒輪箱軸承壽命計(jì)算方法研究［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2007(5)．

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

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