兆瓦級風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)

曹奇

摘 要：目前，利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的相關(guān)應(yīng)用研究得到了發(fā)展，其單機(jī)容量可達(dá)到兆瓦級。在風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱是最為重要的一個(gè)組成部分，是動(dòng)力傳送的重要載體。但由于受相關(guān)技術(shù)限制，國內(nèi)使用齒輪箱主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展壯大。在這種情況下，設(shè)計(jì)出具有自主產(chǎn)權(quán)的齒輪箱就顯得非常有意義。

關(guān)鍵詞：齒輪箱；風(fēng)力發(fā)電；動(dòng)力傳送；行星輪

中圖分類號：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.114

目前，較為成熟的清潔能源有風(fēng)能、太陽能、水能、核能等，這些能源各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文重點(diǎn)對風(fēng)能發(fā)電的相關(guān)問題進(jìn)行分析。想要應(yīng)用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，就需要應(yīng)用到風(fēng)電發(fā)電機(jī)組，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級，容量越大，對發(fā)電機(jī)組性能質(zhì)量的要求就越高。在風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化過程中，齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中最為重要的組成部分。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于風(fēng)能具有的無規(guī)律性、變相、變負(fù)荷等特點(diǎn)以及所處環(huán)境造成的影響，對于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質(zhì)量水平都提出了更高的要求。針對當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱設(shè)計(jì)問題進(jìn)行深入探討。

1 齒輪箱的作用

齒輪箱也被稱為增速箱，這是由于在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，無法滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速需求，這就需要對齒輪箱的齒輪副進(jìn)行增速。在運(yùn)行過程中，風(fēng)作用在葉片上，驅(qū)使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪帶動(dòng)齒輪箱主軸轉(zhuǎn)動(dòng)并將動(dòng)能輸入齒輪副。經(jīng)過三級變速，齒輪副將輸入的大扭矩、低轉(zhuǎn)速動(dòng)能轉(zhuǎn)換為低扭矩、高轉(zhuǎn)速的動(dòng)能，通過聯(lián)軸器傳送給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將輸入的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為電能并輸送到電網(wǎng)。由此可見，齒輪箱的性能、質(zhì)量直接影響著風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全、穩(wěn)定。

2 齒輪箱設(shè)計(jì)

在對齒輪箱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)借鑒國外成熟的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)，并針對齒輪箱運(yùn)行過程中常見故障進(jìn)行有針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能更好地滿足應(yīng)用需求。以下對齒輪箱設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行逐一分析。

2.1 存在的主要缺陷

通過對風(fēng)電機(jī)組長期運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，我們可將齒輪箱常見故障總結(jié)為齒輪箱油溫過高、齒面點(diǎn)蝕破壞2個(gè)方面。其中，油溫過高主要是受到齒輪箱結(jié)構(gòu)及冷卻裝置性能的影響，同時(shí)，如果機(jī)組長期滿負(fù)荷運(yùn)行，也會(huì)加速升溫；齒面點(diǎn)蝕破壞則是由于齒輪材料承受能力無法滿足操作條件而出現(xiàn)金屬表面疲勞造成的。

2.2 齒輪箱設(shè)計(jì)方案

目前兆瓦級風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的傳動(dòng)形式主要有2種：①兩級行星輪+一級平行輪。這一類又可根據(jù)輸入方式分為行星架輸入（扭轉(zhuǎn)臂式和連接法蘭式）和齒圈輸入2種。②一級行星輪+兩級平行輪（齒圈輸入，行星輪軸固定）。不同的齒輪箱結(jié)構(gòu)有著不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)。

2.2.1 齒輪箱設(shè)計(jì)

通過對目前兩種傳動(dòng)形式優(yōu)缺點(diǎn)的分析，綜合設(shè)計(jì)出了一種兩級行星派生傳動(dòng)形式，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，獲得了更好的傳動(dòng)行性能。受到生產(chǎn)工藝的限制，在齒輪制造過程中不可避免地會(huì)存在一定的誤差。當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，影響較小，但隨著轉(zhuǎn)速的提升，誤差影響也將隨之增大。在齒輪箱設(shè)計(jì)過程中，為了降低齒輪工藝誤差，一般在行星傳動(dòng)中增加均載機(jī)構(gòu)（太陽輪），這樣能夠最大限度地均衡各個(gè)行星輪傳遞荷載，延長齒輪的使用壽命，降低運(yùn)行過程中對齒輪工藝精度的要求，從而降低生產(chǎn)成本。

在開始對齒輪箱機(jī)械能設(shè)計(jì)時(shí)，最先應(yīng)對傳動(dòng)比及功率進(jìn)行合理分配。以某5 MW風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)組參數(shù)為：額定功率為5 000 kW，總齒輪傳動(dòng)比為97，額定功率時(shí)輸入轉(zhuǎn)速為12.1 rpm，額定功率時(shí)輸出轉(zhuǎn)速為1173.7 rpm。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)工藝要求，其齒輪靜強(qiáng)度按照額定功率3倍計(jì)算應(yīng)大于1.0，同時(shí)，外齒輪制造精度不應(yīng)低于6級，太陽輪齒面硬度為HRC60-62，行星輪齒面硬度為HRC56-58；齒輪材料選擇經(jīng)滲碳淬火的20CrNnTi。

在圖1中，兩級行星輪傳動(dòng)中均采用中心輪浮動(dòng)的均載裝置（也稱為太陽輪）。為了保證多對齒輪同時(shí)嚙合并可靠承受荷載，在行星輪系的各個(gè)齒輪應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件。

2.2.2 齒輪參數(shù)的確定

取兩級行星傳動(dòng)比，由于總的傳動(dòng)比為97，則高速端定軸傳動(dòng)比為3.44.經(jīng)過計(jì)算，參照設(shè)計(jì)手冊可得出低速級輸入端行星輪傳動(dòng)比為5.129，中間級傳動(dòng)比為5.5.

在傳動(dòng)比合理分配完成后，需要對三個(gè)不同級的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)包括齒輪齒數(shù)、a-c傳動(dòng)中心距級模數(shù)、a-c（及c-b）傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù)和嚙合角、a-c（及c-b）傳動(dòng)變位系數(shù)、重合度等。

2.2.3 受力分析及靜強(qiáng)度核校

在行星輪系中主要的受力構(gòu)件包括中心輪、行星輪、行星架、軸及軸承等。為了對齒輪表面強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，需要對行星輪及太陽輪進(jìn)行受力分析。為了便于分析，在此我們假設(shè)各套行星輪荷載均勻，這樣在分析時(shí)只需要對任意一套行星輪與太陽輪的組合進(jìn)行分析即可。

2.2.4 傳動(dòng)軸及其他相關(guān)部件的設(shè)計(jì)

在齒輪箱中除了不同級的齒輪組外，還包括需要應(yīng)用到相關(guān)傳動(dòng)軸，在齒輪箱設(shè)計(jì)過程中，要對傳動(dòng)軸的尺寸參數(shù)及強(qiáng)度進(jìn)行核校。同時(shí)，還要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對軸系部件、行星架、齒輪箱箱體及齒輪箱的密封、冷卻、潤滑等問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其在電力系統(tǒng)中的重要性不斷提升。通過本文的分析，我們對風(fēng)電機(jī)組重要部分齒輪箱的結(jié)構(gòu)、功能有了一個(gè)簡單了解，并重點(diǎn)對齒輪箱的設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行了深入探討。鑒于齒輪箱對于整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的重要意義，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、消除缺陷，可提高齒輪箱的安全性和可靠性，將會(huì)進(jìn)一步提高其風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用效果。

〔編輯：張思楠〕