基于KISSsoft的風電齒輪箱結構設計

牛澤森，李本

基于KISSsoft的風電齒輪箱結構設計

牛澤森，李本*

（南陽理工學院，河南 南陽 473000）

風電齒輪箱的設計與制造對風電機組性能的發揮可產生重大影響。為解決目前大部分國產齒輪箱服役壽命與可靠性仍較低的問題，同時根據現如今國內風電市場需求，針對風電齒輪箱的載荷多變、艙內維修困難等特點，以變槳雙饋異步型風電機組為研究對象，運用KISSsoft以及Solidworks軟件，通過傳動方案設計、齒輪參數計算分析、三維建模與有限元分析等最終設計出了一款能夠可靠運行200 000 h的風電齒輪箱，同時對各齒輪、齒輪軸、軸承以及行星架進行校核。該齒輪箱由兩級行星齒輪傳動與一級平行軸齒輪傳動組成，同時對傳動系統的各部分均進行了軸承設計、行星架設計、潤滑設計、密封設計與箱體設計等。在箱體設計時考慮到艙內吊裝維修更換軸承等作業情況，做出了相應結構。該研究對提高風電齒輪箱壽命與可靠性具有較強的指導意義。

風力發電機組；齒輪箱；增速器；有限元分析

截至2021年11月14日，我國風力發電機組并網裝機容量已經達到3.0015億千瓦，突破3億千瓦大關，相較于2016年底實現翻番，已連續12年穩居全球第一，其中變速變槳雙饋異步型風機占比約67.36%。與此同時，我國風力發電產業技術創新能力也快速提升，已具備大兆瓦級風電整機、關鍵核心大部件自主研發制造能力，我國作為全球最大風機制造國地位持續鞏固加強（數據來源于國家能源局）。目前，風力發電占全國電網總裝機比例約13%、發電量占全社會用電比例約7.5%，風電對全國電力供應比例不斷提升，風電行業也迎來了廣闊的市場[1]。然而，風電行業在國內剛剛起步時由于設計與加工水平的局限，國內風電齒輪箱故障率高、壽命低[2]，很多中國風電整機廠商選擇直接進口齒輪箱，從而導致成本與運維費用居高不下。目前市場上的主要風力發電技術包括雙反饋發電和直驅發電，其中采用雙饋式發電機的風力發電機組[3]己經成為世界風力發電行業研究的主流方向。風力發電機組中，齒輪箱是十分重要的零部件，但是與此同時，丁昱葦[4]研究表明我國的齒輪箱制造水平相對較低，產能不足，不能滿足市場需求。為此有必要運用現有技術設計符合運行要求的齒輪箱。

KISSsoft是一款強大的齒輪設計分析軟件，采用該軟件可快速、精確地對現有齒輪組進行優化設計、壽命分析。本文采用KISSsoft軟件，針對河南省風場設計一款裝機容量較小風力發電機組的齒輪箱，設計壽命200 000 h。在滿足生產和生產要求的基礎上，通過合理的結構及強度優化設計，使其布置更為合理，安裝和維護更方便。

1 齒輪箱設計

1.1 設計要求

選擇變槳雙饋異步型風電機組齒輪箱作為基準對象，初定設計載荷2.5 MW，根據風能委員會數據，河南省年平均風速在2.5～7.0 m/s之間。以此為基準，假定風輪轉速15 r/s，輸入轉矩1 500 000 N·m展開設計。

風電齒輪箱設計目標為在成本一定的情況下使全生命周期內的可靠度最高，傳統工業用齒輪箱設計大部分以單位重量下的轉矩傳遞能力作為終極目標，然而由于風電齒輪箱通常安裝于離地70 m以上的高空機艙中，故障時需人員進行高空作業維修，嚴重故障時需吊裝運轉至地面維修，作業風險大，維修成本高昂，所以設計以可靠度為目標，同時考慮艙內維修方便的需求。

根據標準GB/T 19073－2018[5]以及GB/T 18451.1－2012[6]，齒輪箱設計壽命應不少于20年。按照每天24 h計算，此處設計壽命目標為200 000 h。

1.2 傳動系統設計

本設計采用現有主流傳動鏈布局，即兩級NGW型行星齒輪傳動加一級平行軸傳動。傳動簡圖如圖1所示。

圖1 傳動簡圖

按照傳動簡圖可得系統增速比為：

二級NGW型行星加一級平行軸傳動的常用速比為：＝-90～-175。這種傳動系統的優點是行星齒輪結構緊湊，兩級NGW型串聯時，提高了中間級的強度，單位重量傳遞轉矩能力更大，更容易實現大速比設計，在1.5～10 MW風電機組中被廣泛應用。

由于風電齒輪箱工況復雜，給維修工作帶來很大困難。在選用材料時除考慮到強度外還應考慮到齒輪箱所處環境導致的高溫或低溫，尤其是抗低溫冷脆性。參考大量行業經驗后確定齒輪采用合金結構鋼制造，外齒輪選用18CrNiMo7，內齒圈選用34CrNiMo6，兩者均為風電齒輪與風電齒輪軸的常用材料。材料熱處理采用滲氮淬火進行表面硬化，保證材料硬度均達到GB/T 3480.5－2021[7]中規定的MQ級，外齒輪芯部硬度大于等于30 HRC，內齒輪芯部硬度大于等于28 HRC。

根據美國風電齒輪箱標準AMGA 6006-A-2003[8]中的相關規定，低速、中速級太陽輪、行星輪一級平行級齒輪均采用ISO 1328-1[9]中規定的5級精度，內齒圈采用7級精度。載荷譜采用AMGA 6006-A-2003中的相關參數，如表1所示。

表1 風電齒輪箱標準載荷譜

將載荷條件、齒輪精度、齒輪材料、潤滑條件以及載荷譜等條件輸入至KISSsoft軟件后，從軟件計算后得到的解中選擇重合度、齒根安全系數、齒面安全系數、膠合安全系數以及壽命等均較可靠的解作為齒輪參數。為使齒輪箱傳動平穩，噪聲與振動盡可能小，盡量使太陽輪齒數不為行星輪個數的整數倍，結果如表2所示。

表2 齒輪基本參數

齒輪設計完畢后進行軸的設計，其中低速行星軸與中速行星軸為心軸，其他各軸均為轉軸。在進行軸的初步設計時，僅按照傳遞轉矩估算最小軸徑：

軸設計完畢并校核完畢后，根據設計出的齒輪與軸的參數，使用Solidworks軟件進行建模并裝配后得到傳動系統裝配狀態模型，如圖2所示。

1.低速級內齒圈；2.低速級行星輪；3.中速軸；4.中速級內齒圈；5.中速級行星輪；6.高速中間軸；7.高速中間齒輪；8.高速軸。

風輪將轉矩通過低速級行星架及低速級行星輪傳遞至高速中間軸上的太陽輪，通過高速中間軸發電機側花鍵將轉矩與轉速輸入至中速級行星架以及中速級行星輪，最終轉速與轉矩通過高速中間軸花鍵連接高速中間齒輪并進一步增速帶動高速軸輸出能量。

1.3 軸承、潤滑系統與密封設計

根據傳動系統設計結果以及GB/T 33623－2017[10]選用相應的軸承并進行合理安裝。在該齒輪箱中所有軸承均選用SKF品牌，潤滑油量根據SKF規定設計。

設計潤滑系統時充分考慮到每個運動部件的潤滑條件，對難以潤滑部件設計專用潤滑系統，例如針對普通潤滑方式難以到達的行星輪軸承設計動靜環迷宮潤滑，如圖3所示。

1.壓力進油口；2.迷宮靜環；3.行星架；4.行星輪軸；5.行星輪軸承；6.動力輸入軸；7.內齒圈；8.行星齒輪；9.行星輪軸定位銷。

針對行星輪軸僅跟隨行星架做公轉而沒有自轉的特點，行星輪軸承采用動靜環迷宮潤滑，帶有一定壓力的潤滑油液從箱體外側的壓力進油口進入，經過行星架與行星輪軸上預留的油道進入行星輪軸承并對其進行潤滑。迷宮結構可大幅減少動靜環之間油液泄露。除此之外，齒輪箱中所有齒輪均采用噴油潤滑以及浸油潤滑的強制潤滑方式。潤滑設計完成后，針對箱體所有與外界接觸位置均設計出相應的密封方式，例如外齒圈與箱體結合處采用密封圈與密封膠雙重密封。由于篇幅限制，其他部位在此不再展開描述。

2 其他零部件設計以及校核

在傳動系統、潤滑系統等主要部件設計完成后對其他零部件進行設計校核，如行星架。行星架作為風電齒輪箱內最重要的零件之一，主要功能為連接行星輪軸為行星輪提供良好的定位與傳遞轉矩。行星架式風電齒輪箱內傳遞轉矩最大的零件，在設計時應兼顧重量輕、剛性好、應力分布均勻等特點。在此采用雙臂整體式作為設計起點。雙臂整體式行星架一般采用鑄造生產，鑄造時選用球墨鑄鐵QT700－2，相當于歐標EN-GJS-700-2，根據經驗，得[11]：

低速級行星齒輪傳動中心距為587 mm，取1＝2＝0.22，計算得兩側板厚度1＝2＝129.14 mm≈130 mm，為減輕重量同時保證強度，兩側板連接臂做空心處理，強度由有限元分析校核，行星架其他尺寸根據各齒輪尺寸確定。在該齒輪箱中低速級行星架作為轉矩與轉速輸入連接部件，與風電機組主軸采用花鍵連接，所以需設計出花鍵連接位置，根據花鍵連接大徑、花鍵連接部位壁厚以及選用軸承內徑確定花鍵連接部分各尺寸。在設計時考慮到中速軸安裝方式，所以行星架中速軸部分內徑需大于太陽齒輪外徑以保證中速軸能夠安裝，考慮壁厚后根據軸承內徑確定其余尺寸。具體結構如圖4所示。

圖4 低速級行星架結構

設計完成后對行星架進行有限元分析，分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 靜應力分析結果

圖6 位移分析結果

在各零部件均設計完成后進行建模并裝配，結果如圖7所示。

圖7 齒輪箱裝配爆炸示意圖

在設計時充分考慮到齒輪箱艙內維修條件，在各部分箱體上均按照重心設計起吊環。考慮到人體身高與箱體安裝位置，在方便位置設計觀察窗與注油孔。在箱體最下部分設計排油孔，潤滑油加熱器安裝孔與抽油孔均設置在潤滑油液面下。箱體上還設計出液位計以方便監測潤滑油位。在各需要位置均預留傳感器安裝位置與布線孔以方便運維人員遠程監控齒輪箱運行狀態。

齒輪校核采用KISSsoft軟件考慮載荷譜根據ISO 6336.5[12]計算每個齒輪嚙合部分齒根安全系數與齒面安全系數，計算得出安全系數均符合使用要求，使用壽命均大于200 000 h。

利用KISSsoft軟件對每級傳動系統進行校核，得到各級傳動系統傳動誤差和功率損耗等，如圖8、圖9所示。

圖8 各級傳動系統傳動誤差

圖9 各級傳動系統功率損耗

齒輪箱內所有軸均按照其受力進行彎矩與扭轉角校核，計算得出所有軸的彎矩與扭轉角均滿足使用要求。使用KISSsoft軟件對所有軸承進行壽命校核后可得軸承基本滿足200 000 h壽命使用要求。

3 結論

本文基于當前國產風電齒輪箱壽命較低情況，以額定功率2.35 MW變槳雙饋異步型風電機組為對象，以200 000 h使用壽命與可靠度為目標，從強度與壽命兩個角度出發對風電齒輪箱傳動系統、潤滑系統以及密封結構等進行了一系列研究與分析。取得成果如下：

（1）對齒輪箱傳動系統中齒輪與軸進行分析設計以及建模校核，設計出兩級NGW型行星齒輪加一級平行軸傳動、總增速比為88.38的齒輪箱傳動系統；

（2）針對設計出的齒輪箱傳動系統，采用KISSsoft軟件Solidworks軟件與完成了軸承選型與校核、箱體內運動部件潤滑設計、箱體密封設計；

（3）綜合傳動鏈與潤滑密封設計，通過Solidworks軟件完成了齒輪箱重要零部件如行星架、箱體與花鍵連接設計計算并進行了校核與有限元分析；

（4）對完成的所有設計均進行了三維建模裝配。

經過一系列設計與校核后，齒輪箱能夠可靠運行200 000 h，安裝和維護方便，完成了設計目標。

[1]杜朝輝，胡丹梅. 風力發電的歷史、現狀與發展[J]. 電氣技術，2004（10）：5-13.

[2]王月普. 風力發電現狀與發展趨勢分析[J]. 電力設備管理，2020（11）：21-22.

[3]付開晴. 雙饋式風力發電機控制技術的研究[D]. 西安：西安工業大學，2021.

[4]丁昱葦. 風力發電發展現狀以及行業發展趨勢研究[J]. 光源與照明，2021（3）：124-125.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. 風力發電機組齒輪箱設計要求：GB/T 19073－2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. 風力發電機組設計要求：GB/T 18451. 1－2012[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[7]國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會. 直齒輪和斜齒輪承載能力計算：GB/T 3480.5－2021[S]. 北京：中國標準出版社，2021

[8]American National Standard Institute. Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines：AMGA 6006-A-2003[S]. American Gear Manufacturers Association，2003.

[9]International Organization for Standardization. Rolling bearings - Dynamic load ratingsand rating life：ISO 281[S]. ISO，2018.

[10]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. 滾動軸承風力發電機組齒輪箱軸承：GB/T 33623－2017[S]. 北京：中國標準出版社，2017.

[11]朱才朝，袁包鋼，宋朝省. 風電齒輪箱設計制造與試驗技術[M]. 北京：機械工業出版社，2019：70-72.

[12] International Organization for Standardization. Calculation of load capacity of spurand helical gears - Part 5: Strength and quality of materials：ISO 6336.5-2003[S]. ISO，2018.

Structure Design of Wind Turbine Gearbox Based on KISSsoft

NIU Zesen，LI Ben

( Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473000, China )

The design and manufacture of wind turbine gearbox have great influence on the performance of wind turbine. In order to solve the problem that the service life and reliability of most domestic gearboxes are still low, a wind turbine gearbox is designed based on the current domestic wind power market demand and the characteristics of variable loads and difficult maintenance in the cabin of wind power gearboxes. This paper takes variable pitch doubly fed asynchronous wind turbine as the research object. Through transmission scheme design, gear parameter calculation and analysis, three-dimensional modeling and finite element analysis, a wind turbine gearbox that can reliably run for 200 000 hours is finally designed with KISSsoft and Solidworks software. At the same time, the gears, gear shafts, bearings and planetary frames are checked. The gearbox is composed of two-stage planetary gear transmission and one stage parallel shaft gear transmission. The bearing design, planetary frame design, lubrication design, seal design and box design are carried out for each part of the transmission system. In the design of the box, the corresponding structure is made considering the operation conditions such as lifting, maintenance and bearing replacement in the cabin. This research has a strong guiding significance for improving the life and reliability of wind turbine gearbox.

wind turbine generator system；gearbox；speed increasing gear；finite element analysis

TH132

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.09.009

1006-0316 (2023) 09-0060-06

2022-08-25

牛澤森（2000－），男，河南安陽人，工程師，主要研究方向為機械設計，E-mail：newttton@nyist.edu.cn。

李本（1986－），男，江蘇徐州人，博士后，主要研究方向為機械傳動，E-mail：li_dd21@163.com。