基于KISSsoft的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

牛澤森，李本

基于KISSsoft的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

牛澤森，李本*

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473000）

風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計與制造對風(fēng)電機(jī)組性能的發(fā)揮可產(chǎn)生重大影響。為解決目前大部分國產(chǎn)齒輪箱服役壽命與可靠性仍較低的問題，同時根據(jù)現(xiàn)如今國內(nèi)風(fēng)電市場需求，針對風(fēng)電齒輪箱的載荷多變、艙內(nèi)維修困難等特點，以變槳雙饋異步型風(fēng)電機(jī)組為研究對象，運用KISSsoft以及Solidworks軟件，通過傳動方案設(shè)計、齒輪參數(shù)計算分析、三維建模與有限元分析等最終設(shè)計出了一款能夠可靠運行200 000 h的風(fēng)電齒輪箱，同時對各齒輪、齒輪軸、軸承以及行星架進(jìn)行校核。該齒輪箱由兩級行星齒輪傳動與一級平行軸齒輪傳動組成，同時對傳動系統(tǒng)的各部分均進(jìn)行了軸承設(shè)計、行星架設(shè)計、潤滑設(shè)計、密封設(shè)計與箱體設(shè)計等。在箱體設(shè)計時考慮到艙內(nèi)吊裝維修更換軸承等作業(yè)情況，做出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)。該研究對提高風(fēng)電齒輪箱壽命與可靠性具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；齒輪箱；增速器；有限元分析

截至2021年11月14日，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3.0015億千瓦，突破3億千瓦大關(guān)，相較于2016年底實現(xiàn)翻番，已連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一，其中變速變槳雙饋異步型風(fēng)機(jī)占比約67.36%。與此同時，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力也快速提升，已具備大兆瓦級風(fēng)電整機(jī)、關(guān)鍵核心大部件自主研發(fā)制造能力，我國作為全球最大風(fēng)機(jī)制造國地位持續(xù)鞏固加強(qiáng)（數(shù)據(jù)來源于國家能源局）。目前，風(fēng)力發(fā)電占全國電網(wǎng)總裝機(jī)比例約13%、發(fā)電量占全社會用電比例約7.5%，風(fēng)電對全國電力供應(yīng)比例不斷提升，風(fēng)電行業(yè)也迎來了廣闊的市場[1]。然而，風(fēng)電行業(yè)在國內(nèi)剛剛起步時由于設(shè)計與加工水平的局限，國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱故障率高、壽命低[2]，很多中國風(fēng)電整機(jī)廠商選擇直接進(jìn)口齒輪箱，從而導(dǎo)致成本與運維費用居高不下。目前市場上的主要風(fēng)力發(fā)電技術(shù)包括雙反饋發(fā)電和直驅(qū)發(fā)電，其中采用雙饋式發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[3]己經(jīng)成為世界風(fēng)力發(fā)電行業(yè)研究的主流方向。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，齒輪箱是十分重要的零部件，但是與此同時，丁昱葦[4]研究表明我國的齒輪箱制造水平相對較低，產(chǎn)能不足，不能滿足市場需求。為此有必要運用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計符合運行要求的齒輪箱。

KISSsoft是一款強(qiáng)大的齒輪設(shè)計分析軟件，采用該軟件可快速、精確地對現(xiàn)有齒輪組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、壽命分析。本文采用KISSsoft軟件，針對河南省風(fēng)場設(shè)計一款裝機(jī)容量較小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱，設(shè)計壽命200 000 h。在滿足生產(chǎn)和生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上，通過合理的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計，使其布置更為合理，安裝和維護(hù)更方便。

1 齒輪箱設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

選擇變槳雙饋異步型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱作為基準(zhǔn)對象，初定設(shè)計載荷2.5 MW，根據(jù)風(fēng)能委員會數(shù)據(jù)，河南省年平均風(fēng)速在2.5～7.0 m/s之間。以此為基準(zhǔn)，假定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速15 r/s，輸入轉(zhuǎn)矩1 500 000 N·m展開設(shè)計。

風(fēng)電齒輪箱設(shè)計目標(biāo)為在成本一定的情況下使全生命周期內(nèi)的可靠度最高，傳統(tǒng)工業(yè)用齒輪箱設(shè)計大部分以單位重量下的轉(zhuǎn)矩傳遞能力作為終極目標(biāo)，然而由于風(fēng)電齒輪箱通常安裝于離地70 m以上的高空機(jī)艙中，故障時需人員進(jìn)行高空作業(yè)維修，嚴(yán)重故障時需吊裝運轉(zhuǎn)至地面維修，作業(yè)風(fēng)險大，維修成本高昂，所以設(shè)計以可靠度為目標(biāo)，同時考慮艙內(nèi)維修方便的需求。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19073－2018[5]以及GB/T 18451.1－2012[6]，齒輪箱設(shè)計壽命應(yīng)不少于20年。按照每天24 h計算，此處設(shè)計壽命目標(biāo)為200 000 h。

1.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用現(xiàn)有主流傳動鏈布局，即兩級NGW型行星齒輪傳動加一級平行軸傳動。傳動簡圖如圖1所示。

圖1 傳動簡圖

按照傳動簡圖可得系統(tǒng)增速比為：

二級NGW型行星加一級平行軸傳動的常用速比為：＝-90～-175。這種傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是行星齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，兩級NGW型串聯(lián)時，提高了中間級的強(qiáng)度，單位重量傳遞轉(zhuǎn)矩能力更大，更容易實現(xiàn)大速比設(shè)計，在1.5～10 MW風(fēng)電機(jī)組中被廣泛應(yīng)用。

由于風(fēng)電齒輪箱工況復(fù)雜，給維修工作帶來很大困難。在選用材料時除考慮到強(qiáng)度外還應(yīng)考慮到齒輪箱所處環(huán)境導(dǎo)致的高溫或低溫，尤其是抗低溫冷脆性。參考大量行業(yè)經(jīng)驗后確定齒輪采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造，外齒輪選用18CrNiMo7，內(nèi)齒圈選用34CrNiMo6，兩者均為風(fēng)電齒輪與風(fēng)電齒輪軸的常用材料。材料熱處理采用滲氮淬火進(jìn)行表面硬化，保證材料硬度均達(dá)到GB/T 3480.5－2021[7]中規(guī)定的MQ級，外齒輪芯部硬度大于等于30 HRC，內(nèi)齒輪芯部硬度大于等于28 HRC。

根據(jù)美國風(fēng)電齒輪箱標(biāo)準(zhǔn)AMGA 6006-A-2003[8]中的相關(guān)規(guī)定，低速、中速級太陽輪、行星輪一級平行級齒輪均采用ISO 1328-1[9]中規(guī)定的5級精度，內(nèi)齒圈采用7級精度。載荷譜采用AMGA 6006-A-2003中的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 風(fēng)電齒輪箱標(biāo)準(zhǔn)載荷譜

將載荷條件、齒輪精度、齒輪材料、潤滑條件以及載荷譜等條件輸入至KISSsoft軟件后，從軟件計算后得到的解中選擇重合度、齒根安全系數(shù)、齒面安全系數(shù)、膠合安全系數(shù)以及壽命等均較可靠的解作為齒輪參數(shù)。為使齒輪箱傳動平穩(wěn)，噪聲與振動盡可能小，盡量使太陽輪齒數(shù)不為行星輪個數(shù)的整數(shù)倍，結(jié)果如表2所示。

表2 齒輪基本參數(shù)

齒輪設(shè)計完畢后進(jìn)行軸的設(shè)計，其中低速行星軸與中速行星軸為心軸，其他各軸均為轉(zhuǎn)軸。在進(jìn)行軸的初步設(shè)計時，僅按照傳遞轉(zhuǎn)矩估算最小軸徑：

軸設(shè)計完畢并校核完畢后，根據(jù)設(shè)計出的齒輪與軸的參數(shù)，使用Solidworks軟件進(jìn)行建模并裝配后得到傳動系統(tǒng)裝配狀態(tài)模型，如圖2所示。

1.低速級內(nèi)齒圈；2.低速級行星輪；3.中速軸；4.中速級內(nèi)齒圈；5.中速級行星輪；6.高速中間軸；7.高速中間齒輪；8.高速軸。

風(fēng)輪將轉(zhuǎn)矩通過低速級行星架及低速級行星輪傳遞至高速中間軸上的太陽輪，通過高速中間軸發(fā)電機(jī)側(cè)花鍵將轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸入至中速級行星架以及中速級行星輪，最終轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩通過高速中間軸花鍵連接高速中間齒輪并進(jìn)一步增速帶動高速軸輸出能量。

1.3 軸承、潤滑系統(tǒng)與密封設(shè)計

根據(jù)傳動系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果以及GB/T 33623－2017[10]選用相應(yīng)的軸承并進(jìn)行合理安裝。在該齒輪箱中所有軸承均選用SKF品牌，潤滑油量根據(jù)SKF規(guī)定設(shè)計。

設(shè)計潤滑系統(tǒng)時充分考慮到每個運動部件的潤滑條件，對難以潤滑部件設(shè)計專用潤滑系統(tǒng)，例如針對普通潤滑方式難以到達(dá)的行星輪軸承設(shè)計動靜環(huán)迷宮潤滑，如圖3所示。

1.壓力進(jìn)油口；2.迷宮靜環(huán)；3.行星架；4.行星輪軸；5.行星輪軸承；6.動力輸入軸；7.內(nèi)齒圈；8.行星齒輪；9.行星輪軸定位銷。

針對行星輪軸僅跟隨行星架做公轉(zhuǎn)而沒有自轉(zhuǎn)的特點，行星輪軸承采用動靜環(huán)迷宮潤滑，帶有一定壓力的潤滑油液從箱體外側(cè)的壓力進(jìn)油口進(jìn)入，經(jīng)過行星架與行星輪軸上預(yù)留的油道進(jìn)入行星輪軸承并對其進(jìn)行潤滑。迷宮結(jié)構(gòu)可大幅減少動靜環(huán)之間油液泄露。除此之外，齒輪箱中所有齒輪均采用噴油潤滑以及浸油潤滑的強(qiáng)制潤滑方式。潤滑設(shè)計完成后，針對箱體所有與外界接觸位置均設(shè)計出相應(yīng)的密封方式，例如外齒圈與箱體結(jié)合處采用密封圈與密封膠雙重密封。由于篇幅限制，其他部位在此不再展開描述。

2 其他零部件設(shè)計以及校核

在傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等主要部件設(shè)計完成后對其他零部件進(jìn)行設(shè)計校核，如行星架。行星架作為風(fēng)電齒輪箱內(nèi)最重要的零件之一，主要功能為連接行星輪軸為行星輪提供良好的定位與傳遞轉(zhuǎn)矩。行星架式風(fēng)電齒輪箱內(nèi)傳遞轉(zhuǎn)矩最大的零件，在設(shè)計時應(yīng)兼顧重量輕、剛性好、應(yīng)力分布均勻等特點。在此采用雙臂整體式作為設(shè)計起點。雙臂整體式行星架一般采用鑄造生產(chǎn)，鑄造時選用球墨鑄鐵QT700－2，相當(dāng)于歐標(biāo)EN-GJS-700-2，根據(jù)經(jīng)驗，得[11]：

低速級行星齒輪傳動中心距為587 mm，取1＝2＝0.22，計算得兩側(cè)板厚度1＝2＝129.14 mm≈130 mm，為減輕重量同時保證強(qiáng)度，兩側(cè)板連接臂做空心處理，強(qiáng)度由有限元分析校核，行星架其他尺寸根據(jù)各齒輪尺寸確定。在該齒輪箱中低速級行星架作為轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸入連接部件，與風(fēng)電機(jī)組主軸采用花鍵連接，所以需設(shè)計出花鍵連接位置，根據(jù)花鍵連接大徑、花鍵連接部位壁厚以及選用軸承內(nèi)徑確定花鍵連接部分各尺寸。在設(shè)計時考慮到中速軸安裝方式，所以行星架中速軸部分內(nèi)徑需大于太陽齒輪外徑以保證中速軸能夠安裝，考慮壁厚后根據(jù)軸承內(nèi)徑確定其余尺寸。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 低速級行星架結(jié)構(gòu)

設(shè)計完成后對行星架進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 靜應(yīng)力分析結(jié)果

圖6 位移分析結(jié)果

在各零部件均設(shè)計完成后進(jìn)行建模并裝配，結(jié)果如圖7所示。

圖7 齒輪箱裝配爆炸示意圖

在設(shè)計時充分考慮到齒輪箱艙內(nèi)維修條件，在各部分箱體上均按照重心設(shè)計起吊環(huán)。考慮到人體身高與箱體安裝位置，在方便位置設(shè)計觀察窗與注油孔。在箱體最下部分設(shè)計排油孔，潤滑油加熱器安裝孔與抽油孔均設(shè)置在潤滑油液面下。箱體上還設(shè)計出液位計以方便監(jiān)測潤滑油位。在各需要位置均預(yù)留傳感器安裝位置與布線孔以方便運維人員遠(yuǎn)程監(jiān)控齒輪箱運行狀態(tài)。

齒輪校核采用KISSsoft軟件考慮載荷譜根據(jù)ISO 6336.5[12]計算每個齒輪嚙合部分齒根安全系數(shù)與齒面安全系數(shù)，計算得出安全系數(shù)均符合使用要求，使用壽命均大于200 000 h。

利用KISSsoft軟件對每級傳動系統(tǒng)進(jìn)行校核，得到各級傳動系統(tǒng)傳動誤差和功率損耗等，如圖8、圖9所示。

圖8 各級傳動系統(tǒng)傳動誤差

圖9 各級傳動系統(tǒng)功率損耗

齒輪箱內(nèi)所有軸均按照其受力進(jìn)行彎矩與扭轉(zhuǎn)角校核，計算得出所有軸的彎矩與扭轉(zhuǎn)角均滿足使用要求。使用KISSsoft軟件對所有軸承進(jìn)行壽命校核后可得軸承基本滿足200 000 h壽命使用要求。

3 結(jié)論

本文基于當(dāng)前國產(chǎn)風(fēng)電齒輪箱壽命較低情況，以額定功率2.35 MW變槳雙饋異步型風(fēng)電機(jī)組為對象，以200 000 h使用壽命與可靠度為目標(biāo)，從強(qiáng)度與壽命兩個角度出發(fā)對風(fēng)電齒輪箱傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及密封結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了一系列研究與分析。取得成果如下：

（1）對齒輪箱傳動系統(tǒng)中齒輪與軸進(jìn)行分析設(shè)計以及建模校核，設(shè)計出兩級NGW型行星齒輪加一級平行軸傳動、總增速比為88.38的齒輪箱傳動系統(tǒng)；

（2）針對設(shè)計出的齒輪箱傳動系統(tǒng)，采用KISSsoft軟件Solidworks軟件與完成了軸承選型與校核、箱體內(nèi)運動部件潤滑設(shè)計、箱體密封設(shè)計；

（3）綜合傳動鏈與潤滑密封設(shè)計，通過Solidworks軟件完成了齒輪箱重要零部件如行星架、箱體與花鍵連接設(shè)計計算并進(jìn)行了校核與有限元分析；

（4）對完成的所有設(shè)計均進(jìn)行了三維建模裝配。

經(jīng)過一系列設(shè)計與校核后，齒輪箱能夠可靠運行200 000 h，安裝和維護(hù)方便，完成了設(shè)計目標(biāo)。

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[12] International Organization for Standardization. Calculation of load capacity of spurand helical gears - Part 5: Strength and quality of materials：ISO 6336.5-2003[S]. ISO，2018.

Structure Design of Wind Turbine Gearbox Based on KISSsoft

NIU Zesen，LI Ben

( Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473000, China )

The design and manufacture of wind turbine gearbox have great influence on the performance of wind turbine. In order to solve the problem that the service life and reliability of most domestic gearboxes are still low, a wind turbine gearbox is designed based on the current domestic wind power market demand and the characteristics of variable loads and difficult maintenance in the cabin of wind power gearboxes. This paper takes variable pitch doubly fed asynchronous wind turbine as the research object. Through transmission scheme design, gear parameter calculation and analysis, three-dimensional modeling and finite element analysis, a wind turbine gearbox that can reliably run for 200 000 hours is finally designed with KISSsoft and Solidworks software. At the same time, the gears, gear shafts, bearings and planetary frames are checked. The gearbox is composed of two-stage planetary gear transmission and one stage parallel shaft gear transmission. The bearing design, planetary frame design, lubrication design, seal design and box design are carried out for each part of the transmission system. In the design of the box, the corresponding structure is made considering the operation conditions such as lifting, maintenance and bearing replacement in the cabin. This research has a strong guiding significance for improving the life and reliability of wind turbine gearbox.

wind turbine generator system；gearbox；speed increasing gear；finite element analysis

TH132

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.009

1006-0316 (2023) 09-0060-06

2022-08-25

牛澤森（2000－），男，河南安陽人，工程師，主要研究方向為機(jī)械設(shè)計，E-mail：newttton@nyist.edu.cn。

李本（1986－），男，江蘇徐州人，博士后，主要研究方向為機(jī)械傳動，E-mail：li_dd21@163.com。