風力發電機組主軸組件與齒輪箱對中調整裝置

涂 剛，馬國榮

（浙江運達風電股份有限公司風力發電系統國家重點實驗室，浙江 杭州310012）

風力發電機組主軸組件與齒輪箱對中調整裝置

涂 剛，馬國榮

（浙江運達風電股份有限公司風力發電系統國家重點實驗室，浙江 杭州310012）

隨著風電機組功率的增大，主軸組件與齒輪箱自重增加導致裝配愈來愈困難。介紹了一種具有缷荷機構及6自由度調整的主軸組件與齒輪箱對中裝置，采用雙表對中測量法，推導出對中量計算方法。該裝置已獲國家知識產權局授予專利，專利號（ZL201420758167.X）.

對中；雙表對中法；主軸組件與齒輪箱；6自由度調整

隨著我國經濟建設的發展，對能源的需求越來越大，風能作為一種綠色能源，已成為當今新能源的重要組成部分。作為雙饋式風力發電機組重要部件的主軸組件與齒輪箱裝配質量，影響著風力發電機組的正常運轉及使用壽命［1］。

雙饋式風力發電機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以上的風力發電機組來說，主軸的自重達十幾噸，齒輪箱的重量更是達到二十多噸，因此，風力發電機組主軸與齒輪箱脹緊套的裝配較為困難。

目前，風力發電機組總裝廠在大型的風力發電機組主軸與齒輪箱裝配時，均利用車間行車上的兩個電動葫蘆，由電動葫蘆將主軸吊起，通過控制兩個電動葫蘆的起吊高度，將主軸調整到近似水平，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同，安裝效率極低，并有可能在對中調整時，主軸軸端擦傷脹緊套的內壁，影響風電機組使用壽命。

因此，如何提高主軸組件與齒輪箱連接孔的對中精度，解決風電機組隨功率增大，主軸組件與齒輪箱自重增加導致裝配困難和裝配質量，設計開發了本風力發電機組主軸組件與齒輪箱對中調整裝置。

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，對中調整時，將主軸與齒輪箱分為基準端和調整端，基準端固定不動，由調整端來調整被連接軸的位置，使其與基準端的連接孔對中。本裝置考慮到齒輪箱比主軸組件重，移動調節比較困難，故選擇齒輪箱為基準端，主軸組件為調整端。

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，誤差在設計要求范圍內如圖1（a）.此種情況不需要對中調整，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），需對中調整。

（3）主軸與齒輪箱連接孔孔中心線同心有偏轉角如圖1（c），需對中調整。

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

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算出對中誤差參數。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，兩軸同時旋轉，測出某些方位（0°、90°、180°、270°）的徑向讀數的同時，測量出同一方位上的軸向讀數。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，可同時旋轉并在旋轉時連接軸無軸向竄動或竄動量較小場合。

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，用于消除兩軸旋轉時軸向竄動對軸向讀數的影響。該測量方法適用于兩被連接軸可同時旋轉，旋轉時有較大軸向竄動場合。

3）外圓雙表法

是通過相隔一定距離的2個千分表多點測量外圓的讀數，確定兩軸相對位置，以此來移動調整端位移量和調整方向。

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，然后各自轉動或同時轉動兩軸，通過千分表測出0°、90°、180°、270°千分表讀數，通過計算算出移動端的移動量。該測量方法適用于兩被連接軸各自轉動或同時轉動，無關軸向竄動場合。

（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°）測量激光的發射線與第一反射面的交點位置的移動量所對應的光學偏移量，通過測量得到的光學偏移量來反映出兩軸線的對中誤差參數。

通過以上對中測量方法的分析，結合主軸組件與齒輪箱結構形式，主軸無軸向竄動，故選擇外圓雙表法進行對中測量較為合適。

2　對中調整裝置的結構組成

根據主軸軸線與齒輪箱孔中心線可能出現的情況，決定了對中裝置的調整端（主軸組件端）需要有6個自由度，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）的移動和沿Z軸、Y軸、X軸的轉動。故對中裝置調整端由1個沿主軸軸線向移動機構、2個軸線垂直水平向調整機構和2個高度方向調整機構及高度方向移動的導向裝置、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、直線滾動導軌、手輪、踏臺等組成。

踏臺是為方便操作人員在對中調整時觀察及檢測時而設置。對中調整裝置的結構如圖2.

圖2　對中調整裝置的結構組成

2.1軸線水平面垂向移動機構組成

主、副支承架的主軸水平面垂向移動機構（Y軸向）為兩個單獨的運動機構，由螺旋傳動［3］、定位精確的滾動直線導軌、支承架等組成。支承架放置在滾動直線導軌上，螺旋傳動裝置帶動主軸組件移動。為易于控制調整量，螺旋傳動裝置的動力采用手動方式，傳動裝置自鎖，保持已調整完的主軸位置。

2.2高度方向移動機構組成

主、副支承架的高度方向移動機構為兩個單獨的運動機構，由斜面機構［3］、螺旋傳動機構、移動導向裝置、重力負荷卸載裝置等組成，斜面機構支承在滾動直線導軌上。主軸組件高度方向調節時，搖動手輪帶動斜面機構向內或外移動，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，雖經斜面機構和螺旋機構的省力作用，但操作人員操作時仍感到困難。故本機構專門設計了重力負荷卸載裝置，它由蝶形彈簧和調節螺母構成，蝶形彈簧承載了大部分主軸組件（包括支承架）的重量，減輕了斜面螺旋機構的負載，使得操作變輕松。

2.3軸線方向移動機構

由于主軸與齒輪箱連接孔配合長度較長，故該機構采用鏈傳動加助力機構的組合形式，用于將對中調整后的主軸組件快速送入齒輪箱孔內，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主軸卡阻時的主軸退出。

3　對中安裝裝置六個自由度實現

3.1軸線向移動

主軸沿軸線方向移動時，手動機構帶動鏈傳動，在助力機構輔助力作用下，將主軸組件裝入齒輪箱的脹緊套內。

3.2水平面內的垂向移動

同向轉動副支承架和主支承架的軸線垂向移動機構，對中裝置帶動主軸組件沿水平面內的垂向直線運動。

3.3高度方向移動

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

3.4主軸豎直面內轉動

異向或異步操作副支承架和主支承架的螺旋斜面組合機構，使它們錯位移動，或使主副支承架的螺旋與斜面組合機構一端靜止，另一端上下移動，實現主軸在豎直面內轉動。

3.5主軸水平面內轉動

異向或異步操作副支承架和主支承架3的軸線垂向移動機構，使它們錯位移動、或使主副支承架一端靜止另一端移動，使主軸在水平面內偏轉。

3.6主軸沿軸線旋轉

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。

4　對中調整量計算

主軸與齒輪箱對中調整以連接孔軸線為基準軸線，先調整主軸與基準軸線的偏角，后調整主軸與基準軸線的偏距。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，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；

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

（3）表架剛度和主軸加工綜合誤差檢測。千分表不動，旋轉主軸一圈測出在a1、a2、a3、a4的讀數和b1、b2、b3、b4的讀數，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，需將該值度計入千分表讀數。

（4）旋轉輔助軸千分表隨輔助軸一起轉動，記錄a1、a2、a3、a4的讀數和 b1、b2、b3、b4的讀數，若 a3－a1＝a4－a2＝b3－b1＝b4－b2＝Δa＝Δb（注意Δa和Δb的正負符號，須同符號），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角時，對中調整量計算。如圖4所示，垂向偏角調整時，主軸支撐點2處調整量：

圖4　主軸軸線與齒輪箱連接孔軸線位置

多次旋轉輔助軸，測出a1、a3的讀數和b1、b3的讀數使得a3－a1＝b4－b2即為偏角調整完畢，水平向偏角調整方式同垂向偏角調整。

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

水平面內偏距調整量計算方式同垂直面高度向調整。

5　結束語

本文詳述了風力發電機組主軸組件與齒輪箱對中調整裝置的結構組成及主軸組件6自由度實現方法，同時對主軸組件與齒輪箱連接孔如何對中測量和計算進行了闡述。本對中裝置具有以下特點：

（1）豎向移動機構、軸向移動機構和水平面內的垂向移動均設置有助力機構，因此，當風力發電機功率增大而引起主軸重量增加時，可通過調整助力機構的輔助力，使操作人員的操作力保持在人體工程學推薦的精確安裝時的轉動力，保證調整時對中精度穩定性和高效率，并可適用寬廣的風力發電機功率范圍。

（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構，上部分為滾動式“V”形結構，下部分用于安裝調整機構，上下兩部分間設置旋轉支承，可相對轉動，便于主軸在水平面內角度調整時，靈活轉動。

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

（4）主軸軸向移動機構采用鏈傳動加助力機構的組合形式，滿足主軸裝入齒輪箱的脹緊套時，可隨動隨停靈活性，又可在助力機構作用下，快速將主軸裝入脹緊套內，提高裝配效率。

［1］葉杭冶，許國東，史曉鳴，等.風力發電系統設計、運行與維護［M］.北京：電子工業出版社，2010.

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

［3］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，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，主要研究方向為風力發電機組技術質量管理。