變槳減速器承壓能力及加油量計算分析方法

田廣澤，任世文

（銀川威力傳動技術股份有限公司,寧夏 銀川 750000）

1 概述

由于變槳減速器采用全密封結構、無通風器進行泄壓，減速器腔體內部壓力受到環境溫度、油溫等影響在不斷變化，當腔體內部壓力大于油封的承壓能力時，可能存在油液泄露的風險。因此，需要對減速器腔體內部的壓強進行控制，當減速器腔體內部體積一定時，向減速器腔體內注入潤滑油量的大小對減速器內部的壓強有一定的影響，從而影響油封的可靠性。

為保證油封在減速器的正常工作期間不失效、不漏油，必須對變槳減速器內部壓強的變化進行分析，即分析減速器腔體內潤滑油與空氣的比例，在環境及溫度變化的情況下對減速器內部壓強的影響。

本文以2.5MW 風力風電機組配套提供的A 型變槳減速器為例進行計算說明。

2 油封承壓能力與加油量分析

行業內要求減速器氣體密封性能試驗壓強為0.2MPa，因此為保證減速器的可靠性，減速器工作時腔體內部氣體壓強不得大于0.2MPa。

2.1 B255A 變槳減速器參數

變槳減速器空腔體積約為V1=7.266L。假設A 型變槳減速器生產地海拔高度約為1000m，10℃時，大氣壓強約為0.0899MPa。

根據理想氣體狀態方程

式中：P 為大氣壓強；n 為氣體的摩爾量；V 為氣體體積，m3；R 為氣體常數，空氣的氣體常數為8.314J/（mol·K）；T 為氣體的絕對溫度，T=t+273=283 K（t=10℃）。

得到氣體摩爾體積

減速器內加注Mobil SHC AMP 320 潤滑油。其密度變化情況如表1 所示。

表1 Mobil SHC AMP 320 的潤滑油溫度變化參數表

2.2 減速器內潤滑油與空氣體積變化分析

在10℃情況下給減速器注油。假設減速器內加注的潤滑油體積為Am3，則減速器內空氣體積為

（V1/1000-A）m3=（0.007266-A）m3

得出10℃時,在A 型變槳減速器廠內的空氣摩爾量為

當溫度升高至60℃時，潤滑油受熱膨脹，潤滑油體積變為V油=A=1.03Am3（潤滑油總質量不變），潤滑油膨脹導致氣體體積壓縮，氣體體積變為：V氣=（0.007266-1.03A）m3。

2.3 減速器內空氣受到溫度及體積變化產生的壓強計算

根據理想氣體狀態方程，減速器內空氣受到溫度及體積變化產生的壓強為：

式中：P氣為減速器內氣體壓強；n 為氣體的摩爾量，n=；V氣為氣體體積，m3。V氣=0.007266-1.03A；R為氣體常數，空氣的氣體常數為8.314J/（mol.K）；T 為氣體的絕對溫度，

將上述數值帶入上式，可得出：

根據上述公式，可得出箱體內氣壓與加油量變化曲線，如圖1 所示。

圖1 箱體內氣壓與加油量變化曲線示意圖

由圖表分析知，減速器箱體內氣體極限壓強為0.2MPa。由圖1 得出，減速器的加油量不得大于6.8L。

3 齒輪傳動散熱分析

3.1 變槳減速器運轉產生的熱量

考慮極限工況，即環境溫度為40℃，減速器累計工作t 小時，（齒輪傳動散熱量最小、潤滑油吸熱最大）進行齒輪傳動散熱分析。

式中：Q1為連續工作產生的熱功率；η 為傳動效率，三級傳動，受潤滑油量影響，效率變化范圍0.65～0.92（試驗所得數據）；P1為輸入軸的傳動功率，約為5.5kW。

3.2 吸收熱量引起的油溫變化

變槳減速器為間歇性工作，受風況影響，其最大連續運行時間難以估算。

假定在一段時間內，變槳減速器處于頻繁工作的狀態下，以24h 做為變槳減速器的一個循環總時間tx，工作時間tg取其1/10，即2.4h。則有tx=24，tg=2.4。

減速器傳動引起變化的油溫為（以下公式摘自機械設計手冊表16-1-24）：

式中：θy為油溫；e 為常數，e=2.718；K 為傳熱系數，根據機械設計手冊，取9W/(m2·℃)；S 為散熱面積，約為0.667m2（A 型變槳減速器表面積）；CQ為鐵的比熱容，取460J/（kg·℃）；Cy為潤滑油比熱容，取40℃時的數值，為2130J/（kg·K）；GQ、Gy為散熱箱體質量及潤滑油質量，箱體質量約為145kg；θ0為環境溫度，取40℃；tx、tg為每一循環總時間和工作時間。

加油范圍為0～7.2L，結合上述可得出油溫與加油量的變化曲線，如圖2 所示。

圖2 油溫與加油量的變化曲線示意圖

由圖表分析知，當加油量小于5.4L 時，潤滑油溫度變化較大，減速器運轉產生的熱量對油溫影響較大。當加油量大于5.4L 時，潤滑油溫度基本保持不變，減速器運轉產生的熱量對油溫的影響基本可以忽略不計。因此，為減小因潤滑油溫度變化引起的減速器內氣壓變化，減速器內潤滑油的最小加油量為5.4L。

4 結論

根據上述計算及分析，可得出變槳減速器加油量與箱體內空氣壓強及油溫溫度之間的關系，如圖3所示。

圖3 減速器箱體內油溫、氣壓與加油量的變化曲線示意圖

以2.5MW 風力風電機組配套提供的A 型變槳減速器為例，由于受變槳減速器內空腔體積以及箱體內氣體極限壓強的限制，減速器內加油量不得大于6.8L。為減小油溫變化對減速器承壓能力的影響，減速器內潤滑油的加注量不得小于5.4L。

因此，綜合考慮減速器箱體內氣體極限壓強、減速器的潤滑以及散熱性能，A 型變槳減速器的潤滑油加注量范圍為5.4～6.8L，占減速器腔體體積的74.3%～93.6%。

通過對A 型變槳減速器加油量的計算分析可以對減速器加油量的確定提供有力地理論支持，通過驗證可以確定減速器的最優加油量，從而避免因減速器內壓力超過減速器極限承壓能力而漏油的風險，提高了減速器的可靠性。同時也可按此方法對其他機型的變槳減速器加油量進行計算驗證，為加油量的確定提供有利的參考與支持。