大功率齒輪箱背靠背-機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺

楊 進(jìn)

(武漢云鶴齒輪傳動(dòng)有限公司， 湖北 武漢 430074)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括以下幾個(gè)部分：增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)組、葉片、塔基和變電站等．目前，我國生產(chǎn)最多的是帶增速齒輪箱的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，且有向大功率發(fā)展的趨勢．這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)行可靠、使用壽命長的特點(diǎn)，因此對各組成部分的零部件的精度、功能要求高．武漢云鶴齒輪傳動(dòng)有限公司(以下簡稱“云鶴齒輪”)是生產(chǎn)大功率風(fēng)電齒輪箱的專業(yè)生產(chǎn)廠家， 擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的1.0 MW系列齒輪箱以及引進(jìn)國外Orbital2技術(shù)的2.0 MW系列齒輪箱，產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性和高耐用度．齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到整機(jī)可靠性和使用壽命．每臺交付裝機(jī)的齒輪箱都必須進(jìn)行臺架試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其性能和質(zhì)量．云鶴齒輪引進(jìn)Orbital2技術(shù)，開發(fā)研制了3.6 MW大功率齒輪箱背靠背-機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺，為風(fēng)力發(fā)電及工業(yè)用齒輪箱提升制造、試驗(yàn)水平奠定了基礎(chǔ)．

1 試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)及原理

適用于大功率齒輪箱的背靠背-機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．該試驗(yàn)臺系統(tǒng)主要有驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與相應(yīng)的控制系統(tǒng)、陪試齒輪箱、扭力傳感器、傳動(dòng)軸、加載裝置、測試齒輪箱、總控臺等幾部分組成．為滿足振動(dòng)、噪聲及油溫測定的要求，另配有測振儀、精密聲級計(jì)及測溫裝置等．

1-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2-電機(jī)聯(lián)軸器；3-傳動(dòng)箱1；4，10，11，18-聯(lián)軸器；5-陪試齒輪箱；6，9-傳動(dòng)軸；7-測試齒輪箱；8-齒輪箱支座；12-傳動(dòng)箱2；13-傳動(dòng)箱支座；14，19-扭力傳感器支座；15-齒輪箱底座；16-聯(lián)軸器底座；17-聯(lián)軸器支架；20-傳動(dòng)箱底座圖 1 背靠背-機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)時(shí)，測試齒輪箱與陪試齒輪箱背靠背串聯(lián)于試驗(yàn)臺的封閉傳動(dòng)鏈中；主電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)，并可按要求調(diào)整其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速；兩個(gè)傳動(dòng)箱均采用兩級變速，且傳動(dòng)比為1，其目的是連接陪試和測試齒輪箱，使整個(gè)傳動(dòng)鏈封閉起來；加載裝置采用液壓加載器，通過對陪試齒輪箱進(jìn)行加載，形成封閉功率流中的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生所謂的“封閉功率”，借此也實(shí)現(xiàn)對測試齒輪箱的加載；驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所提供的功率僅僅是試驗(yàn)臺系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的功率，即用較小的驅(qū)動(dòng)功率就可實(shí)現(xiàn)很大功率齒輪箱的試驗(yàn)．試驗(yàn)臺的加載在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)下均可進(jìn)行，且可隨時(shí)加載卸載．試驗(yàn)過程中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率等通過扭力傳感器傳輸總控臺，顯示并記錄．

2 試驗(yàn)臺的基本參數(shù)

目前，云鶴齒輪研制的該類型試驗(yàn)臺是針對2.0 MW風(fēng)電齒輪箱而選取的相應(yīng)配套設(shè)備．

2.1 總體參數(shù)

測試齒輪箱的類型：W2000DF；類型：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；適應(yīng)氣候：寒冷、常溫、炎熱；額定功率：2 000 kW；額定速度： 1 800 r/min；最高試驗(yàn)速度：2 340 r/min；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 1 380 kNm[1]．

2.2 傳動(dòng)箱參數(shù)

額定功率(通過齒輪軸輸出)3.6 MW;公稱轉(zhuǎn)矩(通過齒輪軸輸出)33 505 Nm;額定速度(通過齒輪軸輸出)1 800 r/min;最大速度(通過齒輪軸輸出)2 500 r/min;總比(通過輸出軸齒輪)1∶1;傳動(dòng)比(電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸和輸出軸)1 385;公稱轉(zhuǎn)矩(通過傳動(dòng)軸)5 635.8 Nm；油型和油量:美孚600 XP 220，550L/臺；變速箱的重量(油)約11 200 kg/臺；使用壽命5 000 h．

2.3 試驗(yàn)臺總體尺寸和重量

長度17 m；寬度35 m；高度4.050 m；重量(無測試齒輪箱，電馬達(dá))485 t．

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

3.1 經(jīng)濟(jì)性

齒輪試驗(yàn)裝置根據(jù)功率流的情況，可分為功率開放型齒輪試驗(yàn)臺和功率封閉式齒輪試驗(yàn)臺．與開放式相比，機(jī)械封閉功率流試驗(yàn)臺的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率只需要補(bǔ)償試驗(yàn)過程中克服摩擦阻力所帶來的功率損失，因而可以節(jié)省動(dòng)力消耗[2]．通過試驗(yàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況來看，本試驗(yàn)臺較開放式的試驗(yàn)臺估計(jì)節(jié)能80%左右．另外整個(gè)系統(tǒng)中不再需要將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的耗能裝置，這樣可以節(jié)省或簡化冷卻設(shè)備．這點(diǎn)對齒輪傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義．

3.2 通用性

現(xiàn)有機(jī)械封閉式齒輪試驗(yàn)臺主要針對特定中心距齒輪箱，如果試驗(yàn)齒輪箱中心距改變了，則需要把試驗(yàn)臺相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備拆下，重新定位安裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很不方便．因此，本試驗(yàn)臺在傳統(tǒng)試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將整個(gè)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分置于地基平板上，屬于固定部分，一部分置于支座上，屬于可移動(dòng)部分，這樣通過調(diào)整支架以上部分的位置便可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中心距的可調(diào)．針對不同中心距的齒輪箱或齒輪機(jī)構(gòu)，不僅能夠進(jìn)行齒輪傳動(dòng)效率以及疲勞壽命試驗(yàn)，而且調(diào)整準(zhǔn)確快速，非常方便，適用面廣．

3.3 多工況模擬

以往的齒輪箱性能試驗(yàn)臺一般都是針對某一特定的被試齒輪箱來進(jìn)行設(shè)計(jì)，工況明確，且負(fù)荷特性單一．而本試驗(yàn)臺除風(fēng)電用齒輪箱外，還能夠完成多種不同型號、不同負(fù)荷特性齒輪箱的性能試驗(yàn)．在系統(tǒng)研制過程中采取了自適應(yīng)變參數(shù)控制的方法，通過對驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及液壓加載裝置壓力的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)功率范圍內(nèi)的所有工況，甚至能夠滿足超速、超載的特殊工況要求．因此，本試驗(yàn)臺很好地解決了多種齒輪箱或多種工況在同一試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)的難題．

4 結(jié)束語

大功率齒輪箱機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺的主要功能，是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓加載的形式使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大的傳動(dòng)功率，依據(jù)控制指令，提供需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，且只需要較小的驅(qū)動(dòng)功率即可產(chǎn)生較大的試驗(yàn)功率，同時(shí)可對相關(guān)信號進(jìn)行采集、記錄和處理．在齒輪箱臺架試驗(yàn)中，該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩模擬的是齒輪箱的驅(qū)動(dòng)源或負(fù)載，同樣，該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩也可用來模擬諸如柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載等，即該類試驗(yàn)臺可以應(yīng)用于所有大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的性能試驗(yàn)，甚至經(jīng)過相應(yīng)改造還可用于變頻器等電氣傳動(dòng)設(shè)備的性能試驗(yàn)．

[參考文獻(xiàn)]

[1] Orbital2. Test rig 2MW for testing of W2000 gearboxes Design of selected components up to 3.6MW[M].England:[s.n.],2012．

[2] 姜永利，周凌輝. 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速齒輪箱性能試驗(yàn)臺研制總結(jié)[J]．?dāng)?shù)控機(jī)床市場,2011(2): 54-56.