偏航變槳減速器輕量化設(shè)計(jì)思路

王林焱， 馬文廣， 馬海波， 李忠強(qiáng)， 張 聰， 任世文

（銀川威力傳動(dòng)技術(shù)股份有限公司， 寧夏 銀川 750000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國(guó)用電量持續(xù)穩(wěn)定高速增長(zhǎng)，電能替代的建設(shè)也受到政府的大力支持，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是大勢(shì)所趨。近幾年來(lái)我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘坎粩囡j升， 但是隨著電價(jià)補(bǔ)貼力度減小，各風(fēng)電主機(jī)廠家考慮降低風(fēng)機(jī)制造成本。 偏航、變槳減速器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要構(gòu)件， 亟需解決 “大而笨”的根本問(wèn)題。

1 偏航變槳減速器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

偏航變槳減速器主要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上起到 “降速增扭，調(diào)角度定方向”的作用。 變槳減速器被安裝在葉片輪轂上，風(fēng)機(jī)需要變槳是，減速器輸出小齒輪帶動(dòng)葉片輪轂大齒圈，從而使得葉片迎風(fēng)角度發(fā)生變化，從而獲得足夠的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，變槳減速器可再次調(diào)整葉片迎風(fēng)角度，減小迎風(fēng)面積，避免風(fēng)機(jī)超速失速；偏航減速器一般和風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)配合使用，盡可能的使得在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)一直處于向風(fēng)狀態(tài)，能夠高效率的發(fā)電。 當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，偏航減速器可固定靜止，配合風(fēng)機(jī)上剎車鉗起到剎車固定的作用，保證風(fēng)機(jī)安全。 工作原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 偏航變槳減速器工作原理圖

偏航變槳減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 因風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙內(nèi)空間有限，承受載荷極大，工作環(huán)境惡劣，風(fēng)力發(fā)電偏航、變槳減速器一般采用多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，其具備傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，功率可分流、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 偏航變槳減速器輕量化設(shè)計(jì)

偏航變槳減速器輕量化設(shè)計(jì)需要從多個(gè)方面綜合考慮，本文主要以如下幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2.1 增加行星齒輪個(gè)數(shù)

通常為了保證較大的傳動(dòng)比， 偏航減速器一般設(shè)計(jì)4-5 級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，減速器從輸入端至輸出端沿縱向軸線傳遞扭矩，導(dǎo)致整機(jī)冗長(zhǎng)，零件數(shù)量繁多，增加整機(jī)重量。隨著機(jī)械加工精度的提高，行星輪的個(gè)數(shù)由之前的3 個(gè)增加至4 個(gè)，甚至6、7 個(gè)[1]。 增加行星輪個(gè)數(shù)可以增加齒輪承載能力 （相同齒寬下）， 但是根據(jù)GL 2010 7.4.5.2.3 載荷分布系數(shù)Kγ（用于計(jì)算載荷分布中的偏差）中，取值見(jiàn)表1，一般也可根據(jù)減速器制造廠制造水平和以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行給定。當(dāng)行星輪數(shù)量增加時(shí)，會(huì)占用行星架加筋位置，可能削弱行星架強(qiáng)度，需要進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。

圖2 減速器傳動(dòng)示意圖

2.2 通過(guò)均載浮動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功率分流

一般是通過(guò)均載浮動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)使每個(gè)級(jí)的傳動(dòng)齒輪承受不同的摩擦和作用力，這種情況下，可以在其具有一定自由度的范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖3，因偏航變槳減速器成本控制， 最簡(jiǎn)單的分流方式才是最實(shí)際的，多數(shù)使用太陽(yáng)輪和行星架浮動(dòng)的均載分流機(jī)構(gòu)[2]。 通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，太陽(yáng)輪浮動(dòng)均載機(jī)構(gòu)分流效果明顯，很少出現(xiàn)齒輪偏載情況。

表1 載荷分布系數(shù)Kγ 取值

圖3 太陽(yáng)輪浮動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3 通過(guò)齒輪修形提高齒輪承載能力

齒輪在加載受力嚙合時(shí)，齒面會(huì)發(fā)生微觀形變，嚴(yán)重時(shí)齒面會(huì)產(chǎn)生低點(diǎn)，驗(yàn)證影響齒輪接觸強(qiáng)度。通過(guò)齒輪修形，使得齒面載荷對(duì)中分布，減輕齒輪偏載的現(xiàn)象，降低傳遞誤差，降低齒輪嘯叫。 齒輪修形，往往需要通過(guò)參數(shù)的反復(fù)調(diào)整以及修形經(jīng)驗(yàn)，獲得一套最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案以提高齒輪承載能力。評(píng)價(jià)齒輪修形效果，必須在齒輪加載狀態(tài)下。 最佳狀態(tài)為嚙合區(qū)域位于齒面中間，呈橢圓形狀。

基于Kisssoft 進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化， 調(diào)整相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使得齒輪嚙合更加平緩，避免嚙合沖擊[3]，見(jiàn)圖4，通過(guò)齒廓修形，使得齒廓弧線過(guò)渡平滑，減小應(yīng)力集中。

通過(guò)齒向修形， 使得加載嚙合時(shí)齒面受載區(qū)域處于齒面中間區(qū)域，見(jiàn)圖5，經(jīng)過(guò)多次長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)證明，齒向修形過(guò)的齒輪，試驗(yàn)前后，齒輪磨損量有明顯的減小，減速器高速級(jí)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)聲音穩(wěn)定，無(wú)異常嘯叫聲。

圖4 齒廓修形

圖5 齒向修形

2.4 通過(guò)零部件輕量設(shè)計(jì)優(yōu)化

以無(wú)外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)和雙臂行星架優(yōu)化結(jié)構(gòu)為例，在保證零件強(qiáng)度足夠的情況下，減少零件的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。

（1）無(wú)外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)。 大功率偏航、變槳回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)要求結(jié)構(gòu)緊湊，按照原有的設(shè)計(jì)思路，行星輪內(nèi)安裝滾動(dòng)軸承，極大的占用了空間，會(huì)造成行星齒輪內(nèi)孔尺寸增大，行星輪整體強(qiáng)度大幅降低，造成行星齒輪齒根開(kāi)裂，齒圈開(kāi)裂等故障。新采用以行星齒輪內(nèi)孔作為軸承外圈的內(nèi)滾道，采用滾針軸承，使行星輪輪緣相對(duì)加厚，提高承載能力，從根本上解決齒輪損耗問(wèn)題，同時(shí)可有效降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，見(jiàn)圖6。

（2）雙 臂行星架在減速箱低速級(jí)中工作，僅和輸出小齒輪通過(guò)花鍵連接， 往往承受較大的扭矩， 因此行星需要保證足夠的強(qiáng)度。 通常設(shè)計(jì)雙臂行星架，為了保證強(qiáng)度足夠，避免應(yīng)力集中，通常采用適當(dāng)增大圓角半徑，去除細(xì)小螺栓孔等[4]，重量?jī)?yōu)化不明顯。 通過(guò)將雙臂行星架筋板由實(shí)心改為環(huán)狀，達(dá)到輕量化目的。 以設(shè)計(jì)中實(shí)際設(shè)計(jì)對(duì)比為例，優(yōu)化前后，行星架受到的最大等效應(yīng)力幾乎無(wú)變化，最大變形量在允許范圍內(nèi)，而重量下降了12.66%，達(dá)到了減重目的，見(jiàn)表2。

圖6 無(wú)外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)

表2 雙臂行星架設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)比

圖7 最大等效應(yīng)力（優(yōu)化前）

圖8 最大等效應(yīng)力（優(yōu)化后）

圖9 最大變形量（優(yōu)化前）

圖10 最大變形量（優(yōu)化后）

圖11 實(shí)心加筋（優(yōu)化前）

圖12 空心環(huán)狀加筋（優(yōu)化后）

3 結(jié)論

隨著海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電已進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段，考慮到風(fēng)電齒輪箱安裝空間限制和生產(chǎn)成本，越來(lái)越多的偏航變槳減速器趨于小驅(qū)動(dòng)模式， 減速器輕量化日趨重要。本文主要從行星輪個(gè)數(shù)、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪修形和零部件減重等幾個(gè)方面介紹了減速器輕量化的設(shè)計(jì)思路， 除此以外，還多多種設(shè)計(jì)思路，如優(yōu)化齒輪表面熱處理方式，提高齒輪接觸和彎曲強(qiáng)度、提高減速器傳遞效率等方式。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需要從多個(gè)維度共同入手，多維度相互結(jié)合，從整體來(lái)考慮減速器輕量化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)。