塔式光熱發電回轉減速機的設計及試驗研究

衛排鋒，郝少楠

1 引言

近年來，各國對環境的要求越來越高，太陽能光熱發電已成為眾多國家能源轉型方向之一；在太陽熱發電中，塔式光熱發電因其聚光倍數與效率較高等優點[1]，在今后的太陽能發電中將會得到快速推廣。但是，塔式光熱發電過程中要求每塊鏡片都跟隨太陽運動而獨立調整方位，故對所需的跟蹤定位減速機有很高的精度要求，由于目前市場高精度減速機價格昂貴，一定程度上限制了它在發展中國家的快速推廣。

2 回轉減速機參數要求

以塔式光熱發電系統Xm2鏡片減速機為研究對象，其參數要求分為環境適應性參數與性能參數，具體指標，如表1所示。

3 回轉減速機輸入參數分析

3.1 環境適應性

減速機工作環境溫度為（-30～+60）℃：該工作環境要求減速機潤滑脂需具有高度的化學穩定性，能適應高低溫。本回轉減速機選用Mobil-SHC460WT極壓潤滑脂，其適應溫度能涵蓋減速機工況溫度范圍，且具有極高的化學穩定性，并在有水侵入的情況下亦能對軸承、齒輪等重要零件提供有效的潤滑保護。

防護等級IP65：該防護等級要求減速機殼體及密封件能完全防止外物及灰塵的侵入，并能防止噴射的水侵入；本減速機選用高性能的骨架油封密封件，該類密封件已在風電行業使用多年，具有極高的耐蝕、耐老化性能，能滿足減速機防護要求。

3.2 回轉減速機性能參數分析

（1）減速機使用壽命計算：減速機每天工作10h，每隔30s轉0.1°，輸出轉速0.2r/min；可計算出轉0.1°所需時間：

t1=0.1°/［0.2（r/min）/60s×360°］≈0.083s；減速機工作一次周期為t=30.083s；故每天工作周期次數為：N=10×3600/30.083=1196.7次；每天工作時間T=N×t1=99.3261s；每天轉過的角度θ=1196.7×0.1°=119.67°≈120°；在 20 年壽命周期內，按 300 天/年，可計算出總工作時間 T1=20×300×99.3261/3600=165.54h。

減速機設計壽命TS=3×T1=496.62h（全齒部設計工作時間為360°/120°=3 倍工作時間）。

（2）回轉精度要求≤3.4′（1mrad）：回轉精度是指減速機輸入端轉動一定圈數（如50轉），然后再反向回轉相同圈數后，輸出軸在輸入前后的圓周角度差值應小于等于1mrad（約3.4′），這就要求減速機在設計時要嚴格控制各級傳動回差。

（3）反向自鎖：反向自鎖要求減速機在輸出端施加反向力矩后，減速機能夠可靠自鎖。本減速機采用蝸桿蝸輪機械自鎖，設計蝸桿（單頭蝸桿）導程角小于當量摩擦角，即γ＜3.5°。

（4）減速機載荷譜：減速機載荷譜可根據公式（1）計算出輸入當量動載荷T[2]：

式中：Ni—第i級載荷應力循環次數；Pi—第i級載荷動載大小；P—齒輪材料的試驗指數，取6.61；Neq—當量循環次數；Neq=ΣNi；

代入參數計算出減速機當量動載：T≈330Nm。

表1 回轉減速機參數要求Tab.1 Parameter Requirements of Rotary Reducer

4 回轉減速機方案設計

根據減速機的傳動比及自鎖要求，并保證結構緊湊及低成本的要求，回轉減速機采用三級NGW行星減速與蝸輪蝸桿傳動，其傳動原理，如圖1所示。

圖1 回轉減速機傳動原理圖Fig.1 Transmission Schematic Diagram of Rotary Reducer

4.1 減速機傳動比分配及配齒參數

根據回轉減速機的傳動比要求，初步分配各級傳動比，如表2所示。其中；蝸輪蝸桿傳動比i=66，模數2.5，蝸桿導程角γ=3.204°；行星減速機采用三級傳動，每級傳動結構與傳動比都相同?；剞D減速機總傳動比為i總=11414，傳動比誤差為0.019%，滿足要求[3-7]。由表2計算結果可得，行星減速機與蝸輪蝸桿各級齒部強度都滿足要求。

表2 減速機齒輪強度計算Tab.2 Gear Strength Calculation of Reducer

4.2 回轉減速機回差控制

回轉減速機傳動系統由行星減速機與蝸輪蝸桿組成，總回差可通過分別控制行星齒輪傳動回差與蝸輪蝸桿傳動回差的方式實現，具體控制方法為：（1）行星減速機：分別控制太陽輪、行星輪、齒圈齒厚公差、徑向跳動公差、行星架銷孔中心距公差等；（2）蝸輪蝸桿：控制蝸輪蝸桿齒厚公差及中心距公差等；（3）軸承游隙：控制軸向及徑向游隙；（4）裝配精度：控制蝸桿與蝸輪及行星減速箱裝配精度；

4.3 減速機蝸桿支撐軸承選用及壽命計算

由于蝸輪蝸桿傳動有徑向力與軸向力，選用圓錐滾子軸承，根據蝸桿軸肩直徑，選軸承型號32006，圓錐滾子軸承在扭矩作用下受徑向力Fr，軸向力Fa，經計算得，軸承徑向力Fr=1516.3N，軸向力Fa=4027N，可計算出軸承最小壽命4778h＞496h，靜載安全系數6.7，滿足使用要求。

5 回轉減速機性能試驗及檢測

為驗證回轉減速機設計的合理性，對減速機各項性能進行了測試及檢驗，測試項目包括：整機回差、箱體剛度試驗、防護性能試驗、傳動效率測試及整機耐久試驗。

5.1 減速機回差檢測

在回轉減速機輸出端架好百分表，如圖2所示。直流電機驅動太陽輪正轉50圈，然后反向回轉50圈，停止后，查看百分表轉動前后讀數差值，在圓周方向測試4次[8]；測試結果，如表3所示。

圖2 減速機回差測試Fig.2 Reduction Test of Reducer

表3 回轉減速機側隙測量值（mm）Tab.3 Measurement of the Side Gap of Rotary Reducer（mm）

減速機總回差要求＜3.4′（1mrad），轉換到輸出端圓周弧長為0.13mm，由測試結果可知0.0725＜0.13mm回差滿足設計要求。

5.2 回轉減速機剛度測試

減速機剛度測試的目的是測試減速機受到彎矩及扭矩的情況下的整機變形是否超出設計值，若變形過大則會影響到鏡片的聚光精度。彎曲剛度測試方法，如圖3所示。按圖3所示將減速機安裝好，并安裝相應的測試工裝，架好百分表，先在右側掛配重G1，記錄百分表的初始值S1，然后將配重減少到G2（G1/2），并記錄表值 S2，根據式（2），可計算出彎曲剛度[9-10]。

式中：L—中心距 500mm；T1—配重力矩（G2）；T2—配重力矩（G1）。

百分表測試結果S1=0mm（無配重），S2=0.12mm，將各組測試數據帶入式（2）可計算出減速機扭轉剛度為（797＞650）Nm/mrad。同理，將試驗工裝翻轉90°，在懸臂兩側分別掛載（正向/反向），測試扭轉剛度。測試結果如下：順時針S1=0.02mm，S2=0.09mm，逆時針S1=0.03mm，S2=0.10mm，代人公式可計算出扭轉剛度正向749.9Nm/mrad，反向 964Nm/mrad，＞400Nm/mrad 滿足要求。

圖3 減速機彎曲剛度測試原理圖Fig.3 Test Schematic of Bending Stiffness of Reducer

5.3 減速機IP65防護試驗

減速機IP防護性能試驗目的是測試減速機密封性能。IP65防護等級要求減速機密封能完全防止外來粉塵及水滴侵入減速機內部。

5.3.1 減速機防塵試驗

將減速機放置于防塵試驗箱中，減速機放置高度約40cm，然后將試驗粉塵均勻的撒在裝置底部，分別從不同的方向向箱底部粉塵吹氣（直吹、斜吹、雙向對吹），氣流速度2m/s，粉塵濃度約（2～3）kg/m3，時間20min，試驗時減速機處于空載運轉狀態。

5.3.2 減速機防水試驗

將減速機按正常工作位置擺放在平臺上，用噴射的水流分別噴向減速機各部位，噴射距離約（2.5～3.0）m，流量為12.5L/min；噴射時間不小于3min。上述兩項防護性能測試結束后，拆檢檢驗箱體，經檢驗減速機內部無明顯粉塵及水滴聚集，表明減速機防護性能合格，滿足設計要求。

5.4 減速機效率測試

減速機效率可根據其輸入、輸出扭矩值及傳動比計算出，減速機輸入扭矩通過扭矩傳感器測出，輸出扭矩為懸掛配重。具體測試過程如下：按圖4安裝好減速機及相關設備：直流電機-ZH07-X扭矩傳感器-回轉減速機-懸掛負載（295kg）。安裝好試驗臺后，啟動電機，記錄扭矩傳感器輸入扭矩值，分別記錄起始點、中間位置、末端輸入扭矩值，（正、反向分別測試），測試結果，如表5所示。由表5結果可得，減速機整機效率＞20%，滿足設計要求。

圖4 回轉減速機效率測試Fig.4 Efficiency Test of Rotary Reducer

表5 回轉減速機效率測試結果Tab.5 Efficiency Test Results of Rotary Reducer

5.5 減速機耐久試驗

耐久試驗的目的是檢測減速機各零件在壽命周期內是否失效，包括齒面疲勞磨損、斷齒、軸承失效、密封唇口磨損失效等。減速機耐久試驗原理，如圖5所示。按圖5順序安裝好臺架，試驗按當量載荷輸入，每7天一個循環周期，每個周期結束后，輸入電機反向。回轉減速機耐久試驗共計505h（21天累積測試）。試驗結束后，對回轉減速機精度進行檢測，檢測回差值為4.5′＜6′（20年后精度），表明設計滿足回差要求。下圖為耐久試驗跑車臺架?；剞D精度檢驗完后，對減速機進行拆檢，并清洗各零件，經檢測減速機各齒輪、軸承、銷軸、行星架等零件均無斷齒（裂）、嚴重磨損及明顯變形發生，骨架油封唇口也無明顯磨損變形。試驗結果表明，減速機各零件強度、壽命滿足使用要求。

圖5 回轉減速機耐久試驗原理圖Fig.5 Durability Test Principle of Rotary Reducer

圖6 回轉減速機耐久試驗Fig.6 Durability Test of Rotary Reducer

6 結論

（1）對塔式光熱發電回轉減速機各性能參數進行了詳細分析，并在此基礎上，設計出了一種結構緊湊、效率高、重量輕的高精度回轉減速機；（2）對減速機樣機各項性能進行了測試，對相關測試參數進行了記錄并分析，數據結果表明，減速機各項性能均滿足使用要求，驗證了設計的合理性，該減速機的成功研制為同類產品的設計提供了可靠依據。