變槳減速器承壓能力及加油量計算分析方法

田廣澤，任世文

（銀川威力傳動技術(shù)股份有限公司,寧夏 銀川 750000）

1 概述

由于變槳減速器采用全密封結(jié)構(gòu)、無通風(fēng)器進(jìn)行泄壓，減速器腔體內(nèi)部壓力受到環(huán)境溫度、油溫等影響在不斷變化，當(dāng)腔體內(nèi)部壓力大于油封的承壓能力時，可能存在油液泄露的風(fēng)險。因此，需要對減速器腔體內(nèi)部的壓強進(jìn)行控制，當(dāng)減速器腔體內(nèi)部體積一定時，向減速器腔體內(nèi)注入潤滑油量的大小對減速器內(nèi)部的壓強有一定的影響，從而影響油封的可靠性。

為保證油封在減速器的正常工作期間不失效、不漏油，必須對變槳減速器內(nèi)部壓強的變化進(jìn)行分析，即分析減速器腔體內(nèi)潤滑油與空氣的比例，在環(huán)境及溫度變化的情況下對減速器內(nèi)部壓強的影響。

本文以2.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機組配套提供的A 型變槳減速器為例進(jìn)行計算說明。

2 油封承壓能力與加油量分析

行業(yè)內(nèi)要求減速器氣體密封性能試驗壓強為0.2MPa，因此為保證減速器的可靠性，減速器工作時腔體內(nèi)部氣體壓強不得大于0.2MPa。

2.1 B255A 變槳減速器參數(shù)

變槳減速器空腔體積約為V1=7.266L。假設(shè)A 型變槳減速器生產(chǎn)地海拔高度約為1000m，10℃時，大氣壓強約為0.0899MPa。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

式中：P 為大氣壓強；n 為氣體的摩爾量；V 為氣體體積，m3；R 為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)為8.314J/（mol·K）；T 為氣體的絕對溫度，T=t+273=283 K（t=10℃）。

得到氣體摩爾體積

減速器內(nèi)加注Mobil SHC AMP 320 潤滑油。其密度變化情況如表1 所示。

表1 Mobil SHC AMP 320 的潤滑油溫度變化參數(shù)表

2.2 減速器內(nèi)潤滑油與空氣體積變化分析

在10℃情況下給減速器注油。假設(shè)減速器內(nèi)加注的潤滑油體積為Am3，則減速器內(nèi)空氣體積為

（V1/1000-A）m3=（0.007266-A）m3

得出10℃時,在A 型變槳減速器廠內(nèi)的空氣摩爾量為

當(dāng)溫度升高至60℃時，潤滑油受熱膨脹，潤滑油體積變?yōu)閂油=A=1.03Am3（潤滑油總質(zhì)量不變），潤滑油膨脹導(dǎo)致氣體體積壓縮，氣體體積變?yōu)椋篤氣=（0.007266-1.03A）m3。

2.3 減速器內(nèi)空氣受到溫度及體積變化產(chǎn)生的壓強計算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，減速器內(nèi)空氣受到溫度及體積變化產(chǎn)生的壓強為：

式中：P氣為減速器內(nèi)氣體壓強；n 為氣體的摩爾量，n=；V氣為氣體體積，m3。V氣=0.007266-1.03A；R為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)為8.314J/（mol.K）；T 為氣體的絕對溫度，

將上述數(shù)值帶入上式，可得出：

根據(jù)上述公式，可得出箱體內(nèi)氣壓與加油量變化曲線，如圖1 所示。

圖1 箱體內(nèi)氣壓與加油量變化曲線示意圖

由圖表分析知，減速器箱體內(nèi)氣體極限壓強為0.2MPa。由圖1 得出，減速器的加油量不得大于6.8L。

3 齒輪傳動散熱分析

3.1 變槳減速器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量

考慮極限工況，即環(huán)境溫度為40℃，減速器累計工作t 小時，（齒輪傳動散熱量最小、潤滑油吸熱最大）進(jìn)行齒輪傳動散熱分析。

式中：Q1為連續(xù)工作產(chǎn)生的熱功率；η 為傳動效率，三級傳動，受潤滑油量影響，效率變化范圍0.65～0.92（試驗所得數(shù)據(jù)）；P1為輸入軸的傳動功率，約為5.5kW。

3.2 吸收熱量引起的油溫變化

變槳減速器為間歇性工作，受風(fēng)況影響，其最大連續(xù)運行時間難以估算。

假定在一段時間內(nèi)，變槳減速器處于頻繁工作的狀態(tài)下，以24h 做為變槳減速器的一個循環(huán)總時間tx，工作時間tg取其1/10，即2.4h。則有tx=24，tg=2.4。

減速器傳動引起變化的油溫為（以下公式摘自機械設(shè)計手冊表16-1-24）：

式中：θy為油溫；e 為常數(shù)，e=2.718；K 為傳熱系數(shù)，根據(jù)機械設(shè)計手冊，取9W/(m2·℃)；S 為散熱面積，約為0.667m2（A 型變槳減速器表面積）；CQ為鐵的比熱容，取460J/（kg·℃）；Cy為潤滑油比熱容，取40℃時的數(shù)值，為2130J/（kg·K）；GQ、Gy為散熱箱體質(zhì)量及潤滑油質(zhì)量，箱體質(zhì)量約為145kg；θ0為環(huán)境溫度，取40℃；tx、tg為每一循環(huán)總時間和工作時間。

加油范圍為0～7.2L，結(jié)合上述可得出油溫與加油量的變化曲線，如圖2 所示。

圖2 油溫與加油量的變化曲線示意圖

由圖表分析知，當(dāng)加油量小于5.4L 時，潤滑油溫度變化較大，減速器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對油溫影響較大。當(dāng)加油量大于5.4L 時，潤滑油溫度基本保持不變，減速器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對油溫的影響基本可以忽略不計。因此，為減小因潤滑油溫度變化引起的減速器內(nèi)氣壓變化，減速器內(nèi)潤滑油的最小加油量為5.4L。

4 結(jié)論

根據(jù)上述計算及分析，可得出變槳減速器加油量與箱體內(nèi)空氣壓強及油溫溫度之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 減速器箱體內(nèi)油溫、氣壓與加油量的變化曲線示意圖

以2.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機組配套提供的A 型變槳減速器為例，由于受變槳減速器內(nèi)空腔體積以及箱體內(nèi)氣體極限壓強的限制，減速器內(nèi)加油量不得大于6.8L。為減小油溫變化對減速器承壓能力的影響，減速器內(nèi)潤滑油的加注量不得小于5.4L。

因此，綜合考慮減速器箱體內(nèi)氣體極限壓強、減速器的潤滑以及散熱性能，A 型變槳減速器的潤滑油加注量范圍為5.4～6.8L，占減速器腔體體積的74.3%～93.6%。

通過對A 型變槳減速器加油量的計算分析可以對減速器加油量的確定提供有力地理論支持，通過驗證可以確定減速器的最優(yōu)加油量，從而避免因減速器內(nèi)壓力超過減速器極限承壓能力而漏油的風(fēng)險，提高了減速器的可靠性。同時也可按此方法對其他機型的變槳減速器加油量進(jìn)行計算驗證，為加油量的確定提供有利的參考與支持。