大功率風電增速箱設計

謝春普，陳宏偉，張樹慶，李國莉

(1．滄州東塑集團滄州明珠塑料股份有限公司，河北 滄州 061000;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著煤、石油等化石燃料儲藏量的日益減少和對環境保護要求的進一步提高，近十年來風力發電技術發展尤為迅速。風機單機容量從最初約數千瓦到今天的數兆瓦，規格在迅速增大。目前世界上單機容量最大的風力發電機組為6 MW，單機容量大規格化已成為風電機組發展的必然方向。

由于工業環境的復雜性以及載荷的不確定性，風力發電增速箱是風電成套設備中故障率較高的部件，風電齒輪箱設計制造的關鍵技術一直是困擾我國乃至世界風電快速發展的重要因素。因此該增速箱在設計、制造、試驗、使用以及維護上比一般工業齒輪箱的要求更高。針對要求該增速箱具備承載能力高、體積小、重量輕、可靠性高和壽命長等特點，本文介紹了兆瓦級增速箱的設計特點及選型。

1 傳動型式的選擇

目前風電增速箱多采用一級行星加兩級圓柱齒輪傳動、兩級行星齒輪傳動、兩級行星加一級圓柱齒輪傳動等傳動型式，三種結構各有優缺點:

一級行星加兩級圓柱齒輪傳動型式具有結構簡單、易于加工、制造成本低等特點;

兩級行星齒輪傳動型式具有速比范圍較大、承載能力較高、體積小等特點;

兩級行星加一級圓柱齒輪傳動型式具有速比范圍大、承載能力高、制造成本較高等特點。

目前風電增速箱產品中0.6～2 MW增速箱多采用一級行星加兩級圓柱齒輪傳動型式，如圖1所示;2.0 MW及以上增速箱多采用兩級行星加一級圓柱齒輪傳動型式，如圖2所示。

同時一些國際知名公司也開發了其它具有一定特色的傳動型式，如 Renk的 NW傳動、Rexroth的行星差動分流型、Voith的恒輸出轉速型等。

2 傳動系統的設計

2.1 設計參數的合理選擇

齒輪是風電增速箱的關鍵部件，是決定增速箱能否穩定運轉的重要因素，對齒輪設計的要求有以下幾點:

(1)其中齒面、齒根和齒面抗微點蝕所需的最小安全系數見表1;

表1 最小安全系數Table 1 Minimum safety factor

(2)外齒輪的精度應不低于GB/T 10095規定的5級，內齒圈齒輪的精度應不低于6級;

(3)齒輪所用材料要滿足機械強度條件，一般采用17CrNiMo6等優質低碳合金鋼鍛造，等級不低于相關標準的2級，采用滲碳、淬火、磨齒和超精研磨工藝。

(4)按ISOTR15144－1計算齒輪的微點蝕安全系數;

(5)由于風力發電增速箱輸入軸承受附加動載荷，使得齒輪承受附加動載荷，齒輪設計中應充分考慮這一因素，合理選用動載系數;

(6)工作中由于箱體和行星架等零部件變形、制造公差、裝配側隙和剛度等因素影響，會使行星輪載荷的分配不均勻，因此必須考慮載荷分布系數Kγ對實際齒輪強度的影響。根據行星輪數量確定載荷分布系數，Kγ值見表2。

表2 載荷分布系數Table 2 Load distribution coefficient

2.2 均載機構的設計

為滿足風電增速箱高承載能力的要求，在增速箱結構設計時，要充分考慮均載性要求，提高承載能力和產品壽命。

常用的均載結構:①太陽輪浮動，鼓形齒連接的均載結構;②太陽輪浮動，柔性花鍵的均載結構。

目前某軸承商正在開發行星輪集成式柔性銷軸承及均載機構，主要原理是將齒輪與軸承的外圈集成，套筒與軸承的內圈集成，集成式柔性銷軸承如圖3所示。

圖3 集成式柔性銷軸承及均載機構Fig.3 Integrated flexible pin bearing and equal load mechanism

2.3 抗微點蝕措施

研究發現，造成風電齒輪箱失效的部分原因是齒面產生微點蝕現象，微點蝕多出現在齒頂和齒根部位，因表面疲勞導致齒面上出現微小的點蝕(1 μ)或斑點，使局部變得粗燥，引起齒輪振動、噪音等，最終導致齒面應力集中，縮短了齒輪壽命。經研究發現采取以下措施可以降低微點蝕的危害。

(1)齒輪超精研磨工藝，提高齒輪表面粗糙度;

(2)精確的齒輪修形，降低齒面載荷;

(3)選用專用抗微點蝕的合成齒輪油;

(4)按ISOTR15144－1計算齒輪的微點蝕安全系數，GL認證要求按SA≥1.2。

風電齒輪箱具有齒面硬度高、承受載荷大、運行工況復雜等特點，發生微點蝕的幾率遠遠大于普通齒輪箱，因此在進行風電齒輪箱設計時，必須對微點蝕進行校核計算。目前國內幾款傳動系統設計軟件，都有微點蝕計算功能，如:Romax、Kisssoft等。采用先進計算程序可以提高設計效率和計算結果的準確度。

2.4 軸承的設計

風電機組運行過程中，齒輪箱往往過早損壞，其原因主要是風電齒輪箱軸承在復雜載荷作用下壽命難以估算，導致軸承過早損壞，另外盡管目前對軸承壽命的計算方法很多，但并沒有準確評估風電齒輪箱軸承壽命的計算方法，風電齒輪箱軸承的設計和計算對風電齒輪箱發展具有重要的意義。

在兆瓦級風力發電增速箱中，目前比較常用的軸承配置型式如圖4所示。

圖4 軸承配置型式Fig.4 Bearing configuration

在一級行星加兩級圓柱的增速箱中，對于一點支撐的增速箱，輸入軸(行星架)可以選用圓錐滾子軸承，這樣剛性及抵御外來附加力的性能好;對于兩點或三點支撐的增速箱，輸入軸(行星架)可以選用滿裝圓柱滾子軸承。

對于圓柱齒輪部分，在高速軸上應用較多的有兩種方案:一種是四點接觸球軸承和圓柱滾子軸承組合使用;另一種是雙圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合使用，兩種方案都把圓柱滾子軸承放在了浮動端。對于中間軸和低速軸:一種是雙列錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合使用，另一種是兩個調心軸承配對使用。

對于行星輪部分，由于空間受限，承受的載荷大，一般選用多列圓柱滾子軸承，如圖5所示。目前軸承商開發了具有特色的行星輪內用無外圈的圓錐滾子軸承，可承受較大的載荷。

圖5 太陽輪軸承配用型式Fig.5 Bearing configuration of sun gear

2.5 軸承壽命計算

在風力發電增速箱中，無論是設計規范還是認證，對軸承壽命均有要求，必須嚴格遵守。AGMA6006標準以軸承的基本額定壽命作為判斷依據，根據軸承位置的不同，基于增速箱20年的設計壽命，規定了增速箱各處軸承的最小基本額定壽命見表3。

表3 軸承的最小基本額定壽命Table 3 Minimum rated life of bearings

GB/T 19073等標準規定軸承的修正額定壽命不小于13萬h。各軸承生產廠家也根據各自的研究成果及標準，提出了類似的修正額定壽命的計算方法。

式中，a1為可靠性系數;a2為材料系數;a3為壽命系數;L10為基本額定壽命;C為基本額定動載荷;P為當量動載荷;p為壽命指數。a3與軸承的類型、尺寸有關，與選用的潤滑油類型、牌號有關，與潤滑系統的清潔度或污染度等因素有關。

a3的計算較為復雜，影響因素多，計算結果離散性大。

3 關鍵部件的有限元分析

兆瓦級風電增速箱載荷變化大、工況惡劣、結構復雜，傳統的設計計算方法很難對其進行精確的應力、變形計算和分析，使用有限元等現代方法進行計算和優化能很好地解決這一問題。通過有限元分析軟件，可以精確獲得結構的應力、變形的數據和位置，能實現對現有結構強度和剛度的校核和改進優化。

某1.5 MW風電齒輪箱機體、內齒圈、前機蓋等關鍵部件的有限元分析結果如圖6所示。

圖6 1.5 MW風電齒輪箱有限元分析結果Fig.6 Result of finite element analysis for 1.5 MW turbine gearbox

4 潤滑油及潤滑系統

4.1 潤滑油的選擇

由于風力發電機多安裝在空曠、多風地區，增速齒輪箱的工作環境屬于高低溫變化、高濕氣，加上較大的扭力負荷，因此其中的潤滑油受氣候溫差、濕度等影響較大。另外風電機組處于相對偏遠的地區，維修不便，因此設計要求齒輪箱使用的齒輪油應具有以下特點:

(1)具有良好的極壓抗磨性能、高溫降解抵抗力、熱氧化穩定性、水解安定性、抗微點蝕、抗乳化性能、防腐防銹性能;

(2)要求低溫流動性能以及長的使用壽命，能改善齒輪傳動效率。一般選用合成工業齒輪油，如美孚的SHCXMP320等。

4.2 潤滑油過濾系統

要長時間保持齒輪油的特性，除了使用高性能的潤滑油，更多的還需要保持油系統盡可能的清潔。顆粒物、水分和氧化產物等污染物對油以及設備本身都有較大的危害。一旦齒輪齒面和軸承磨損過度，將需要維修或更換部件，檢修和配件的費用，再加上動用大型設備，以及停機時間造成的發電量損失，整個維修成本會相當高。

在風機齒輪箱的潤滑系統上，設計有在線過濾器，為保證在線潤滑系統的流量，這種過濾器一般過濾精度大多為10～20 μm。

事實上，在線過濾器很好地保護了潤滑系統，但其本身并不能完全滿足風機齒輪箱對潤滑油清潔度的要求以及相關的標準。

為了滿足風電齒輪箱的潤滑油清潔度要求，提高齒輪箱系統運行的可靠性，在線潤滑系統對油的流量有一定要求。所以，一般無法在在線系統中使用精度更高的過濾器，且一般過濾器均為表面性過濾，無法去除水分和氧化物，為此還需設計精度更高、功能更全的離線精濾器，以解決油品的清潔度不達標的問題，以保證油系統的清潔度維持在理想水平，延長油品和齒輪箱的壽命。

5 結論

本文從兆瓦級風電增速箱的傳動型式、微點蝕處理、均載設計、軸承配置等方面分析了兆瓦級風電增速箱的設計特點。采用Anysys軟件對風電增速箱的關鍵部件進行了分析，為兆瓦級風力發電增速箱的設計提供參考。

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