偏航變槳減速器輕量化設計思路

王林焱， 馬文廣， 馬海波， 李忠強， 張 聰， 任世文

（銀川威力傳動技術股份有限公司， 寧夏 銀川 750000）

0 引言

隨著我國經濟規模的不斷發展以及城鎮化進程的加速，我國用電量持續穩定高速增長，電能替代的建設也受到政府的大力支持，發展風力發電是大勢所趨。近幾年來我國風電裝機總容量不斷飆升， 但是隨著電價補貼力度減小，各風電主機廠家考慮降低風機制造成本。 偏航、變槳減速器是風力發電機組的重要構件， 亟需解決 “大而笨”的根本問題。

1 偏航變槳減速器工作原理及結構特點

偏航變槳減速器主要在風力發電機上起到 “降速增扭，調角度定方向”的作用。 變槳減速器被安裝在葉片輪轂上，風機需要變槳是，減速器輸出小齒輪帶動葉片輪轂大齒圈，從而使得葉片迎風角度發生變化，從而獲得足夠的動力轉矩。 當風力過大時，變槳減速器可再次調整葉片迎風角度，減小迎風面積，避免風機超速失速；偏航減速器一般和風機控制系統配合使用，盡可能的使得在一定風速范圍內，風機一直處于向風狀態，能夠高效率的發電。 當風力過大時，偏航減速器可固定靜止，配合風機上剎車鉗起到剎車固定的作用，保證風機安全。 工作原理圖見圖1。

圖1 偏航變槳減速器工作原理圖

偏航變槳減速器結構特點： 因風力發電機艙內空間有限，承受載荷極大，工作環境惡劣，風力發電偏航、變槳減速器一般采用多級行星齒輪傳動，其具備傳動比大，結構緊湊，功率可分流、傳動效率高等優點。

2 偏航變槳減速器輕量化設計

偏航變槳減速器輕量化設計需要從多個方面綜合考慮，本文主要以如下幾個方面進行介紹。

2.1 增加行星齒輪個數

通常為了保證較大的傳動比， 偏航減速器一般設計4-5 級行星齒輪傳動，減速器從輸入端至輸出端沿縱向軸線傳遞扭矩，導致整機冗長，零件數量繁多，增加整機重量。隨著機械加工精度的提高，行星輪的個數由之前的3 個增加至4 個，甚至6、7 個[1]。 增加行星輪個數可以增加齒輪承載能力 （相同齒寬下）， 但是根據GL 2010 7.4.5.2.3 載荷分布系數Kγ（用于計算載荷分布中的偏差）中，取值見表1，一般也可根據減速器制造廠制造水平和以往經驗進行給定。當行星輪數量增加時，會占用行星架加筋位置，可能削弱行星架強度，需要進一步進行強度校驗。

圖2 減速器傳動示意圖

2.2 通過均載浮動機構實現功率分流

一般是通過均載浮動機構來使每個級的傳動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對其進行相應的自動調節，見圖3，因偏航變槳減速器成本控制， 最簡單的分流方式才是最實際的，多數使用太陽輪和行星架浮動的均載分流機構[2]。 通過實際驗證，太陽輪浮動均載機構分流效果明顯，很少出現齒輪偏載情況。

表1 載荷分布系數Kγ 取值

圖3 太陽輪浮動機構

2.3 通過齒輪修形提高齒輪承載能力

齒輪在加載受力嚙合時，齒面會發生微觀形變，嚴重時齒面會產生低點，驗證影響齒輪接觸強度。通過齒輪修形，使得齒面載荷對中分布，減輕齒輪偏載的現象，降低傳遞誤差，降低齒輪嘯叫。 齒輪修形，往往需要通過參數的反復調整以及修形經驗，獲得一套最優的設計方案以提高齒輪承載能力。評價齒輪修形效果，必須在齒輪加載狀態下。 最佳狀態為嚙合區域位于齒面中間，呈橢圓形狀。

基于Kisssoft 進行齒輪設計優化， 調整相關經驗參數，使得齒輪嚙合更加平緩，避免嚙合沖擊[3]，見圖4，通過齒廓修形，使得齒廓弧線過渡平滑，減小應力集中。

通過齒向修形， 使得加載嚙合時齒面受載區域處于齒面中間區域，見圖5，經過多次長時間試驗證明，齒向修形過的齒輪，試驗前后，齒輪磨損量有明顯的減小，減速器高速級齒輪運轉聲音穩定，無異常嘯叫聲。

圖4 齒廓修形

圖5 齒向修形

2.4 通過零部件輕量設計優化

以無外圈滾子軸承結構和雙臂行星架優化結構為例，在保證零件強度足夠的情況下，減少零件的質量對產品輕量化設計有著至關重要的作用。

（1）無外圈滾子軸承結構。 大功率偏航、變槳回轉驅動要求結構緊湊，按照原有的設計思路，行星輪內安裝滾動軸承，極大的占用了空間，會造成行星齒輪內孔尺寸增大，行星輪整體強度大幅降低，造成行星齒輪齒根開裂，齒圈開裂等故障。新采用以行星齒輪內孔作為軸承外圈的內滾道，采用滾針軸承，使行星輪輪緣相對加厚，提高承載能力，從根本上解決齒輪損耗問題，同時可有效降低生產成本，實現產品輕量化，見圖6。

（2）雙 臂行星架在減速箱低速級中工作，僅和輸出小齒輪通過花鍵連接， 往往承受較大的扭矩， 因此行星需要保證足夠的強度。 通常設計雙臂行星架，為了保證強度足夠，避免應力集中，通常采用適當增大圓角半徑，去除細小螺栓孔等[4]，重量優化不明顯。 通過將雙臂行星架筋板由實心改為環狀，達到輕量化目的。 以設計中實際設計對比為例，優化前后，行星架受到的最大等效應力幾乎無變化，最大變形量在允許范圍內，而重量下降了12.66%，達到了減重目的，見表2。

圖6 無外圈滾子軸承結構

表2 雙臂行星架設計優化對比

圖7 最大等效應力（優化前）

圖8 最大等效應力（優化后）

圖9 最大變形量（優化前）

圖10 最大變形量（優化后）

圖11 實心加筋（優化前）

圖12 空心環狀加筋（優化后）

3 結論

隨著海上風電和陸上風電已進入規?；l展階段，考慮到風電齒輪箱安裝空間限制和生產成本，越來越多的偏航變槳減速器趨于小驅動模式， 減速器輕量化日趨重要。本文主要從行星輪個數、浮動機構、齒輪修形和零部件減重等幾個方面介紹了減速器輕量化的設計思路， 除此以外，還多多種設計思路，如優化齒輪表面熱處理方式，提高齒輪接觸和彎曲強度、提高減速器傳遞效率等方式。 實際設計時，還需要從多個維度共同入手，多維度相互結合，從整體來考慮減速器輕量化設計，最終達到產品輕量化設計。