風電增速器封閉式行星傳動功率分流原理分析

蔣克勤

摘 要：將封閉式行星傳動功率分流原理應用于風電減速器，可有效提高齒輪箱的扭矩質量比，減少風電機塔頭的質量。因此，介紹了封閉式行星輪系的功率分流原理，分析了一種在國外已被成熟應用的功率分流式風電增速器，并展望了功率分流技術在大型風力發電機上的應用前景。

關鍵詞：封閉式行星傳動輪系；功率分流；傳動效率；扭矩質量比

中圖分類號：TH132.425 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.066

風能作為一種取之不盡的清潔能源，早已得到了世界各國的開發利用，各國爭相建造了風電場，風力發電機的單機容量紀錄也在不斷被刷新。在此情況下，大功率風電機不斷涌現，大功率增速齒輪箱也隨之應運而生。然而，隨著功率的提高，齒輪箱的質量也在增大。因此，如何有效提高齒輪箱的扭矩質量比，減少風電機塔頭的質量，并提高齒輪箱的可靠性和經濟效益，成為了各國風電廠商競相追逐的目標。在增速齒輪箱上采用功率分流技術，即解決上述問題最有效的方法之一。

1 封閉式行星傳動的功率分流原理

采用普通定軸齒輪傳動或簡單的行星齒輪傳動封閉連接一個具有兩個自由度的差動行星機構，進而構成只有一個自由度的行星輪系，即封閉式行星傳動。封閉式行星齒輪傳動的效率不僅與基本構件中的輸入件和輸出件有關，還與其傳動比、符號有關。具體而言，傳動效率值與其功率流的方向有關，而功率流的方向又取決于傳動形式、結構組成和運動狀況等。通常而言，將封閉行星齒輪傳動中的差動行星齒輪傳動稱為原始機構，而將其中起封閉作用的普通定軸齒輪傳動或簡單的行星齒輪傳動稱為封閉機構。封閉機構與原始機構的連接方法通常有兩種，即用連接機構連接兩個中心輪、用連接機構連接行星架與中心輪。

如果封閉式行星輪系選擇不當，則可能會引發封閉功率流。當機構中存在封閉功率流時，會大幅度降低輪系的傳動效率，使軸承和齒輪的磨損加劇。在實際使用中，應避免上述情況出現。以下具體分析4種封閉式行星傳動的功率分流情況。

在以下分析中定義：

. （1）

1.1 第一種封閉式行星輪系

第一種封閉式行星輪系如圖1所示。

圖1中，用封閉機構k將差動輪系中的a與b連接起來，構成一個封閉式行星傳動輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸。進入輸入軸的功率流P1在封閉機構k的作用下分成兩路，一路流經a，另一路流經b，并最終在行星架H處匯合。其傳動比的計算式為：

. （2）

太陽輪和內齒圈的功率分別為：

Pa=Taωa. （3）

Pb=Tbωb=PTa . （4）

“1”軸的輸入功率為：

. （5）

行星架的輸出功率為：

. （6）

當i12>0時，太陽輪與內齒圈的轉向相同，機構中不存在封閉功率，輸出功率等于輸入功率；當-p

1.2 第二種封閉式行星輪系

第二種封閉式行星輪系如圖2所示。

圖1 第一種封閉式行星輪系 圖2 第二種封閉式行星傳動輪系

圖2中，用封閉機構k將差動輪系中的b與H連接起來，構成一個封閉式行星傳動輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進入輸入軸的功率流P1經原始機構分成兩路，一路從a流經b再經過封閉機構k，另一路從a流經行星架H，兩路最終在輸出軸處匯合。其傳動比的計算式為：

=1+p（1-ib2）. （7）

內齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （8）

. （9）

已知軸1的輸入功率P1=Taωa，當ib2>1+ 時，1+p（1-ib2）

<0，Pb<0，PH>0，則P2=|Pb|-|PH|，機構中存在封閉功率流，

PH為封閉功率；當00，Pb>0，

PH<0，則P2=|PH|-|Pb|，機構中存在封閉功率流，Pb為封閉功率；當ib2<0時，1+p（1-ib2）>0，Pb<0，PH<0，機構中不存在封閉功率流，輸出功率數值等于輸入功率；當ib2=1+

時， =1，機構傳動比為1，不存在封閉功率流。

1.3 第三種封閉式行星傳動輪系

第三種封閉式行星傳動輪系如圖3所示。

圖3中，用封閉機構k將差動輪系中的b與H連接起來，構成一個封閉式行星傳動輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進入輸入軸的功率流P1經原始機構分成兩路，一路流經a，另一路流經b，并最終在行星架H處匯合。其傳動比的計算式為：

=iH2（1+p）-p. （10）

內齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （11）

. （12）

已知軸1的輸入功率P1=Taωa，當ib2> 時，iH2（1+p）

-p>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，機構中存在封閉功率

流，Pb為封閉功率；當0

Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，機構中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當ib2<0時，iH2（1+p）-p<0，Pb<0，PH<0，

機構中不存在封閉功率流，輸出功率數值等于輸入功率；當ib2

= 時， =0，機構無法傳動。

1.4 第四種封閉式行星傳動輪系

第四種封閉式行星傳動輪系如圖4所示。

圖3 封閉式行星傳動輪系 圖4 第四種封閉式行星傳動輪系

圖4中，用封閉機構k將差動輪系中的b與H連接起來，構成一個封閉式行星傳動輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進入輸入軸的功率流P1經原始機構分成兩路，一路流經a和b，另一路從a流經行星架H，最終兩路在封閉機構k處匯合后輸出。根據疊加原理可知，其傳動比的計算式為b路傳動比+H路傳動比：

=iH2（1+p）-pib2. （13）

內齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （14）

. （15）

. （16）

當iH2>0，ib2<0時，iH2（1+p）-pib2>0，Pb<0，PH<0，機構中不存在封閉功率流，輸出功率數值等于輸入功率；當iH2<0，ib2>0時，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH<0，機構中不存在封閉功率流，輸出功率數值等于輸入功率，即iH2與ib2

異號時，機構中不存在封閉功率流；當iH2>0，ib2>0且

時，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，機

構中存在封閉功率流，Pb為封閉功率；當iH2>0，ib2>0且

時，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，

機構中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當iH2<0，ib2<0且

時，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|

-|PH|，機構中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當iH2>0，ib2

<0且 時，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2

=|PH|-|Pb|，機構中存在封閉功率流，Pb為封閉功率，即當iH2與ib2同號時，機構中存在封閉功率流。

2 某種風電機增速器的實際應用分析

該封閉式行星傳動由第一級差動行星、第二級定軸準行星和第三級NGW行星連接封閉而成，屬于上述圖4中的情形。其行星機構基本方程組如圖5所示。

圖5 行星機構基本方程組

則：

. （17）

在每一級中均應用上述方程組，輸入P入=Taωa>0，輸出P出=Tbωb<0；P出=THωH<0，由此推導出第一級行星架的傳遞功率為：

. （18）

第一級內齒圈的傳遞功率為：

. （19）

其功率分流的組合方式框圖如圖6所示。

圖6 功率分流的組合方式框圖

由圖6可看出，功率從低速級的行星架輸入后分為兩路：一路通過低速級的太陽輪直接傳送到高速級行星架；另一路通過與低速級行星架相連的中間級內齒圈，并經過中間級定軸傳動傳到與中間級太陽輪相連的高速級內齒圈。兩路功率流最終在高速級差動行星輪系中匯合，并通過高速級的太陽輪輸出。