主軸集成型風電齒輪箱輸入級行星架加工工藝研究

李紅紅

(太原重工股份有限公司 齒輪傳動分公司，山西 太原 030024)

0 引言

根據風電增速器與主軸的聯接方式不同，風力發電雙饋機組增速齒輪箱結構分為主軸集成型齒輪箱、通過鎖緊盤聯接齒輪箱及通過法蘭聯接齒輪箱。目前風電市場上5 MW以下雙饋增速齒輪箱大部分采用鎖緊盤將主軸與增速器聯接在一起，而僅有較小比例增速器是將主軸集成于齒輪箱內，通過過盈聯接將主軸裝于齒輪箱內部。而大的過盈量裝配后會使行星架其他部位產生一定的變形,為此本文主要研究了主軸集成型風電齒輪箱輸入級行星架加工工藝，采用合理的工藝可有效地消除大過盈量造成的零件變形影響，滿足圖紙的設計使用要求。

1 不同結構增速器輸入級行星架的區別

不同結構增速器輸入級行星架區別如表1所示。

通過表1可看出，由于增速器結構的不同，輸入級行星架的材質、熱處理、裝配方式都不同，從而導致零件的加工工藝不同[1]。QT700-2A行星架的加工工藝通常為：粗加工—時效—半精加工—精加工—檢測—收尾—裝配。而集成型增速器輸入級行星架與主軸是通過大的過盈量直接聯接，裝配后會對輸入級行星架的行星孔及其他部位的尺寸及形位公差產生影響。若直接將輸入級行星架加工至圖紙要求，則與主軸裝配后行星架產生的變形會影響行星輪的裝配及齒輪箱的運轉。因此，在加工過程中需考慮消除該變形的影響。

表1 不同結構增速器輸入級行星架區別

2 主軸集成型增速器輸入級行星架加工工藝難點

本文以太重齒輪傳動分公司正在加工的主軸集成型4.5 MW齒輪箱輸入級行星架為例進行分析研究。該行星架材質為G18NiMoCr3-6，需進行調質處理，行星架與主軸通過1∶50錐度孔過盈聯接，過盈量為1.65 mm～1.81 mm，零件最大外圓為Φ1 850，行星輪孔數量為4，行星輪孔尺寸公差范圍為0.02 mm，要求同軸度≤0.015 mm，平行度≤0.04 mm，行星架簡圖見圖1。

圖1 輸入級行星架簡圖

2.1 輸入級行星架與主軸的裝配

為了消除主軸與輸入級行星架裝配后產生的變形影響，我們在輸入級行星架精加工階段先將與主軸裝配部位加工至尺寸，其余加工部位留適當余量，待主軸及輸入級行星架裝配到位后再進行輸入級行星架其余部位的加工。

主軸與輸入級行星架裝配后要求主軸右端面與輸入級行星架內孔小頭側端面貼合，間隙≤0.20 mm。過盈連接常采用的裝配方式為壓裝和熱裝。由于配合部位過盈量過大，壓入行程長，所需壓入力大，采用壓裝方式較困難，因此我們采用熱裝方式進行裝配。根據熱裝時包容件的加熱溫度推薦公式計算輸入級行星架的加熱溫度[2]：

tn=eotadf+t=δ1+δ2adf+t.

其中：tn為包容件加熱溫度，℃；eot為包容件內徑的熱漲量，mm，eot等于過盈量δ1與熱裝時的最小間隙δ2之和；a為材料的線膨脹系數，1/℃；df為結合直徑，mm；t為環境溫度，℃。

通過計算，確定了輸入級行星架的加熱溫度，并給出相應的加熱時間及保溫時間。除此之外，熱裝的難點在于確保裝配后兩零件貼合端面間隙值小于0.20 mm。由于配合面為錐面，在零件熱裝后的自然冷卻過程中會隨著溫度的降低產生一定的回彈量，導致最終端面間隙值變大而不滿足設計使用要求。為了避免這一問題的出現，我們制作了專用工裝，如圖2所示。熱裝后通過螺桿將主軸和輸入級行星架壓緊，并在冷卻過程中對螺栓進行定時逐步預緊，確保在整個冷卻過程中輸入級行星架與主軸一直處于貼合狀態。通過該工裝的使用，裝配后檢測貼合面間隙值≤0.05 mm。

1-螺母;2-行星架壓板;3-雙頭螺柱;4-主軸內錐度支撐板圖2 熱裝壓緊工裝示意圖

2.2 大過盈量裝配后對輸入級行星架各部位的影響

為了確認輸入行星架與主軸的大過盈量聯接會對行星架其他部位造成的影響，我們對首件零件進行試驗。熱裝前將錐度連接內孔加工至要求，其余內孔留余量，十字方向測量并記錄各部位尺寸，與主軸熱裝后復測各部位尺寸。通過對比輸入級行星架熱裝前后各部位尺寸變化，確認該過盈量會造成的變形影響，從而確定熱裝前各部位需留的精加工余量。輸入級行星架熱裝前、后各部位尺寸公差如表2所示。

表2 輸入級行星架熱裝前、后各部位尺寸公差

由表2可知，各部位尺寸變化量與其與大過盈聯接處距離有關，距離越近漲大量越大，距離較遠處尺寸存在一定的縮小量，且十字方向檢測數值不同，各內孔呈現變橢現象。

2.3 輸入行星架工藝流程

根據首件試驗結果，最終確定該輸入級行星架的加工工藝流程為：粗加工—調質—半精加工—時效—精車—熱裝—精鏜—檢測—收尾—裝配。該工藝保證了加工后輸入行星架各部位尺寸及形位公差滿足設計圖紙要求。

3 結論

經我公司實際驗證，采用該主軸集成型輸入級行星架加工工藝即保證了熱裝要求，又滿足了設計圖紙精度要求，因此該工藝在后續的批量生產中得到了實際應用。