變槳減速機的國產化及低溫環境下可靠性分析

石軍， 劉波， 周紫燕

（株洲市九洲傳動機械設備有限公司，湖南 株洲 421000）

0 引言

我國疆域遼闊，能源豐富。隨著節能環保意識的不斷深入人心，國家對清潔能源-風能的開發力度不斷加大，但很多風能富集的地區處在冬季較為寒冷的東北、華北、西北地區，這些地區冬季溫度低至-20℃左右，而且風場常常處在荒郊野外，不利于風場內設備的維護，這就要求風力發電設備中的變槳減速機低溫下也能夠可靠地運行。正因如此苛刻的要求，我國風電變槳減速機目前還主要依賴于進口，若能將變槳減速機國產化，將為企業帶來巨大效益。文獻［1］雖然對多級NGW行星結構的變槳減速機結構進行了研究，具有重量輕、傳動比范圍大、效率高、功率密度高等優點，但未對變槳減速機在低溫環境下的可靠性予以考慮。目前由于風電機組絕大部分使用進口變槳減速機，國內暫無與風電減速機低溫環境下可靠性相關的文獻可查。本文針對變槳減速機惡劣的工作環境，對箱體材料進行了等效替換，對減速機的潤滑與密封進行了合理的設計，并用ANSYS有限元軟件分析以及模擬試驗的方式進一步驗證了本設計中的變槳減速機在低溫環境下的可靠性，為變槳減速機的國產化打下堅實的基礎。

1 變槳減速機的總體結構

1.1 設計輸入參數

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

1.2 減速機的主要參數

根據減速機的使用情況與特點將其設計為行星齒輪結構，圖1為單級結構傳動簡圖。

傳動比的分配原則是以各級之間獲得等強度和最小外廓尺寸為原則［2］。

齒輪齒數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。太陽輪和內齒圈之和應等于行星輪個數的整數倍，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齒輪傳動參數如表1。

表1 變槳減速機的主要參數

1.3 設計結構

本設計的變槳減速機為三級NGW行星齒輪減速器，結構如圖2。

圖2 變槳結構圖

2 各種材料的選用

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

低溫條件下材料的選擇至關重要，它是產品在低溫條件下正常運轉的保證。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。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。塑性材料的齒輪等零件由于相對運動會產生熱，而且材質為塑性材料，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，而且脆性轉變溫度低，低溫韌性也好，適合在低溫環境下工作。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來衡量箱體材料的可靠性是科學的。在國外，偏航和變槳箱體的材料常用EN-GJS-350-22，而且技術非常成熟。但在國內材料難于采購，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變槳減速機上應用的潤滑油為Mobil SHC XMP320，潤滑脂為 Mobilith SHC 460WT。

美孚齒輪油SHC XMP系列性能卓越、為全合成的工業齒輪油，專門為了最佳地保護設備和延長油品壽命而研制，可在極端惡劣的條件下工作。它們經特別調制，能防止表面經熱處理而硬化的新型齒輪發生微點蝕，并可在高、低溫環境中工作。特別適用于承受極重負荷兼有沖擊負荷的風機、地處偏遠的設備及在嚴寒下運行的設備使用。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穩定性，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。專門用于潤滑風力發電機偏航系統、變槳系統及主軸承的潤滑。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，在低溫環境下密封圈材質選擇非常重要，BJ20變槳減速機的密封圈的材質為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特性。溫度范圍：-40～125 ℃［6］。

因此變槳減速機上密封圈所選材質可以在低溫環境下可靠工作。

3 變槳減速機箱體的有限元分析

本設計中為將產品國產化，將減速機的材料替換成了QT400-18AL，并用ANSYS對箱體的強度進行了校核。變槳減速機的額定輸出轉T=10 kN·m，機殼材料為QT400-18AL，其抗拉強度σb=400 MPa，屈服強度為250 MPa，彈性模量 E=150 000 MPa，泊松比 μ=0.25。用ANSYS對三維模型進行網格劃分，網格模型如圖3，網格模型的單元數目為321 256，節點數目為434 800。

圖3 裝配體網格模型

對模型施加邊界條件，進行計算，計算結果的平均應力云圖如圖4。ANSYS仿真模擬分析結果如表4。

圖4 裝配體平均應力云圖

表4 殼體各零件的最大應力和最大變形

對于裝配外殼，最大應力為153.08 MPa，位于殼體1上，最大變形為0.03 mm，位于機殼1上，殼體的材料是QT400-18AL，根據分析參數可知QT400-18AL的抗拉強度為400 MPa，屈服強度為250 MPa，最大應力小于材料的屈服強度，進而驗證了QT400-18AL能夠滿足強度要求。

4 模擬加載試驗

為驗證BJ20變槳減速機在低溫環境下的適應性和可靠性，我們對其做了模擬低溫環境下的試驗。將BJ20變槳減速機放在低溫冷凍箱內冷凍至-40℃，然后對其進行模擬加載試驗，表5為模擬加載試驗的試驗設定參數。

圖5為兩臺變槳減速機背靠背在試驗臺上做試驗，試驗后未發生漏油、裂紋等失效。進一步驗證了變槳減速機在低溫環境下運行的可靠性。

表5 變槳減速機加載試驗設定參數

圖5 減速機的模擬加載試驗

5 結論

本文設計并實現了一種能在低溫惡劣環境下工作的風力發電變槳減速機，試驗結果表明：在變槳減速機設計過程中用材料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計和選型，可保證變槳減速機在低溫環境下可靠運轉，最終實現風電變槳減速機的國產化。

［1］ 洪雷,李學明,王進戈.多級NGW行星齒輪傳動的設計［J］.機械設計，2011，35（6）：52-55.

［2］ 張展.實用齒輪設計計算手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［3］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社,2008.

［4］ 于永泗,齊民.機械工程材料［M］.大連：大連理工大學出版社，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.機械工程標準手冊［M］.北京：中國標準出版社，2002.