變槳減速器承壓能力及加油量計(jì)算分析方法

田廣澤，任世文

（銀川威力傳動(dòng)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(wú)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(shí)，可能存在油液泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)減速器腔體內(nèi)部的壓強(qiáng)進(jìn)行控制，當(dāng)減速器腔體內(nèi)部體積一定時(shí)，向減速器腔體內(nèi)注入潤(rùn)滑油量的大小對(duì)減速器內(nèi)部的壓強(qiáng)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(duì)變槳減速器內(nèi)部壓強(qiáng)的變化進(jìn)行分析，即分析減速器腔體內(nèi)潤(rùn)滑油與空氣的比例，在環(huán)境及溫度變化的情況下對(duì)減速器內(nèi)部壓強(qiáng)的影響。

本文以2.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組配套提供的A 型變槳減速器為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)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(yàn)壓強(qiáng)為0.2MPa，因此為保證減速器的可靠性，減速器工作時(shí)腔體內(nèi)部氣體壓強(qiáng)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(shí)，大氣壓強(qiáng)約為0.0899MPa。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

式中：P 為大氣壓強(qiáng)；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(duì)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(rùn)滑油。其密度變化情況如表1 所示。

表1 Mobil SHC AMP 320 的潤(rùn)滑油溫度變化參數(shù)表

2.2 減速器內(nèi)潤(rùn)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(rùn)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(shí),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(shí)，潤(rùn)滑油受熱膨脹，潤(rùn)滑油體積變?yōu)閂油=A=1.03Am3（潤(rùn)滑油總質(zhì)量不變），潤(rùn)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(qiáng)計(jì)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(qiáng)為：

式中：P氣為減速器內(nèi)氣體壓強(qiáng)；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(duì)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(qiáng)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(dòng)散熱分析

3.1 變槳減速器運(yùn)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(jì)工作t 小時(shí)，（齒輪傳動(dòng)散熱量最小、潤(rùn)滑油吸熱最大）進(jìn)行齒輪傳動(dòng)散熱分析。

式中：Q1為連續(xù)工作產(chǎn)生的熱功率；η 為傳動(dòng)效率，三級(jí)傳動(dòng)，受潤(rùn)滑油量影響，效率變化范圍0.65～0.92（試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)）；P1為輸入軸的傳動(dòng)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(yùn)行時(shí)間難以估算。

假定在一段時(shí)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(gè)循環(huán)總時(shí)間tx，工作時(shí)間tg取其1/10，即2.4h。則有tx=24，tg=2.4。

減速器傳動(dòng)引起變化的油溫為（以下公式摘自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(rùn)滑油比熱容，取40℃時(shí)的數(shù)值，為2130J/（kg·K）；GQ、Gy為散熱箱體質(zhì)量及潤(rùn)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(shí)間和工作時(shí)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(shí)，潤(rùn)滑油溫度變化較大，減速器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對(duì)油溫影響較大。當(dāng)加油量大于5.4L 時(shí)，潤(rùn)滑油溫度基本保持不變，減速器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量對(duì)油溫的影響基本可以忽略不計(jì)。因此，為減小因潤(rùn)滑油溫度變化引起的減速器內(nèi)氣壓變化，減速器內(nèi)潤(rùn)滑油的最小加油量為5.4L。

4 結(jié)論

根據(jù)上述計(jì)算及分析，可得出變槳減速器加油量與箱體內(nèi)空氣壓強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(duì)減速器承壓能力的影響，減速器內(nèi)潤(rùn)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(qiáng)、減速器的潤(rùn)滑以及散熱性能，A 型變槳減速器的潤(rùn)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(guò)對(duì)A 型變槳減速器加油量的計(jì)算分析可以對(duì)減速器加油量的確定提供有力地理論支持，通過(guò)驗(yàn)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(guò)減速器極限承壓能力而漏油的風(fēng)險(xiǎn)，提高了減速器的可靠性。同時(shí)也可按此方法對(duì)其他機(jī)型的變槳減速器加油量進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，為加油量的確定提供有利的參考與支持。