大型風電齒輪箱潤滑點油量的仿真分析＊

呂騰超，孫 開，李興林，胡海濱，高遠俊

（1. 杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，浙江 杭州 311203；2. 杭州軸承試驗研究中心（聯合國援助）有限公司，浙江 杭州 310022；3. 機械工業軸承產品質量檢測中心（杭州）ISO/IEC 檢測/校準 CNAS L 0309，浙江 杭州 310022）

1 前言

風電齒輪箱的軸承、齒輪潤滑基本為強制潤滑，采用的齒輪油粘度高，管路設計布置復雜，工作溫度和壓力變化大。為此，潤滑系統的設計需要綜合考慮油粘度、管路的布置、溫度和壓力值等因素，保證潤滑的有效性，避免軸承、齒輪因潤滑不良導致失效的情況發生[1]。

本文根據齒輪箱各潤滑點布置和管路，利用流體分析軟件建立潤滑系統的仿真模型，對各潤滑點油量進行模擬仿真分析。根據仿真結果了解進口流量、外部環境溫度、油管內壁粗糙度對噴油口噴出量的影響，對潤滑系統的油路進行深入分析，探索各指標之間的聯系，為大功率風電齒輪箱潤滑點的流量設計提供理論依據。

2 潤滑點布置和管路

根據風電齒輪箱齒輪、軸承的功率損失，計算出各潤滑點的需求流量，進一步設計各潤滑點的位置和管路。為了進一步模擬各潤滑點的流量，根據齒輪箱的油路設計了流量分配裝置，如圖 1。

圖1 流量分配裝置

3 建立仿真模型

根據圖 1 流量分配裝置將整個結構分為六個潤滑部分進行研究，把相鄰的結構組成潤滑共同體進行分析，能夠更加清晰地總結出相應的規律，便于之后對于潤滑特性的研究，因此可以基于此對最終所建立的模型進行分析。將最終結構分成潤滑分配點 1，潤滑分配點 2 和 3，以及潤滑分配點 4、5 和 6 三部分，分別如圖 2、3、4 所示。圖 2 包含了 TR1 齒圈、TR1太陽輪、一級行星輪軸承、一級行星架軸承 RSB、一級行星架軸承 GSB、TR2 齒圈、二級行星架 RSB 以及進油環損失。圖 3 包含 TR2 太陽輪、TR1 花鍵、TR2 花鍵、二級行星輪軸承、二級行星架軸承 RSB、中間軸軸承 RSB、進油環損失以及 TR3 齒輪。 圖4 包含高速軸軸承 GSB1 和 2、TR2 齒圈、高速軸軸承 RSB、中間軸軸承 GSB、滑環軸承、泵齒輪以及泵軸軸承。將模型搭建好之后需要研究元件之間的流量變化以及黏溫特性，進而構建流動的控制方程。遵循質量守恒定律、牛頓第二定律以及能量守恒定律，構建大功率風力發電齒輪箱潤滑特性模型的連續性方程、動量方程與能量方程[2-3]。

圖2 潤滑分配點1

圖3 潤滑分配點2和3

4 理論控制方程建立

在整個流動過程中會有油液的損失，突變結構件損失公式為：

其中 Pt1、Pt2代表了突變過渡件進出口整體壓力，包含靜壓與動壓；Ki代表了損失系數；Ps2表示出口處的靜止壓力。可以通過測定相應的壓力值計算出損失系數型交叉元件的損失方程：

其中 Pi、Pj代表的是 i 結點和 j 結點處的壓力；ρ 流體的密度；A1承載流量的臂的橫截面積；Kij表示結點 i 與結點 j 之間的損失系數。

Pi和 Pj與 T 型交叉元件三個分支都有附屬關系，將三個部分串在一起。在普遍情況下，A1可以擴展成 A 表示承載整體流量進行整體處理。損失系數 Kij表示兩個結點之間相連的主路損失與承載總流量的支路里油液平均速度的比率， 通過該公式配合相應的傳感器便可以得出 T 型交叉元件的損失系數。交叉點在臂部沒有任何長度，任何相鄰管道應包括到 T 型接頭端部的離散損耗組件或異徑組件。憑借損失系數可以計算分支之間的損失。

最后是關于油管的損失，其截面結構如圖 5所示，由此可以看出，油管內部存在一個直徑為d1的實心部分，和整體外部直徑為 d2的管路存在一定的偏心率。其相關的損失方程如式（3）所示：

圖5 油管截面結構圖

其中△P 表示壓力損失；k 損失系數；v 流體的流速； f 摩擦系數；L 管路長度；D 管路內徑。

通過式（3）可以計算出整個仿真模型中管路的損失，將這三部分綜合起來，結合實際的噴口數目以及流體潤滑仿真特性得出最后適合該模型的質量守恒、動量守恒以及能量守恒的控制方程：

其中（4）式中 Q 代表了進油口的給定流量，si和 ui分別代表了 90 個出油口的截面積與出口流速，（5）式中 p 代表進口的總壓力，pi和 qi代表了每個出油口的壓力與流量，最后（6）式中 ζ 代表了潤滑油的有效利用率，c 為潤滑油比熱容，△T 為潤滑油溫升，該式是由風電齒輪箱總的發熱功率 Pz得到需要的總供油量 Qsum而建立起的能量功率關系。

5 仿真分析的結果

仿真過程主要考慮了潤滑油液溫度對潤滑流量的影響， 當溫度從 30℃ 變為 50℃ 再到68℃，每種噴口的出射流量值的變化量并不大，但是可以發現隨著溫度的提升，所有噴孔間的流量分配更加均勻。不同種類處于不同位置但直徑相同的噴孔, 噴油口間流量差異更小，主要是因為隨著溫度的升高，在油管中流動的潤滑油的黏度降低，同時整個仿真系統的流阻損失減小，所有噴孔間的壓力差異減小趨于平均，因此會使得24 種噴孔的流量分配更加均勻。

在進口流量為380L/min，粗糙度為0.025mm，溫度分別為 30℃、50℃ 和 68℃ 時的結果如表 1 所示，其為該項目仿真分析的最終結果。

表1 仿真分析的結果 L/min

14三級主動部件軸承RSB 7.01 7.02 6.98 15TR3齒輪嚙合1 56.84 56.79 56.61 16高速軸軸承GSB 33.43 33.16 32.84 17高速軸軸承RSB 8.29 8.31 8.31 18TR2齒圈與行星輪嚙合2 15.66 15.62 15.58 19機械泵齒輪 4.31 4.31 4.28 20機械泵軸承 2.17 2.16 2.15 21三級主動部件軸承GSB 13.51 13.41 13.2 22滑環管軸承 2.10 2.09 2.07 23進油環損失管1 16.18 16.15 16.33 24進油環損失管2 20.25 20.31 20.32

6 流量驗證試驗

根據圖 1 建立流量驗證試驗裝置，由供油裝置的電機泵從油站吸油，潤滑油經加熱裝置和過濾裝置后進入流量分配裝置中的噴油點，如圖 6所示。每類噴油點選擇一個點接一根油管把噴油點的油液引入油桶，通過稱重獲取油液的重量，通過記錄油液的重量，計算整理得出各噴油點的出油量。

圖6 流量驗證試驗裝置

將流量驗證試驗得出的數據與表 1 仿真分析結果對比，圖 7 為噴油點流量結果對比圖。通過該圖可知，油溫分別在 30℃、50℃、68℃ 時，流量驗證試驗結果與仿真分析結果對比的誤差≤10%，進一步驗證了流量仿真結果的準確性和有效性。

圖7 噴油點流量仿真分析與驗證試驗結果對比

7 結束語

本文根據大型風電齒輪箱潤滑系統噴油點布置和管路建立了噴油點油量仿真分析模型，建立理論控制方程從流量、溫度與粗糙度三種不同的因素考慮，得出了仿真分析結果，并通過流量驗證試驗進一步驗證了仿真結果的準確性， 為大型風電齒輪箱潤滑系統油路的設計提供了理論依據。