风力发电机组的齿轮箱设计维护技术.doc
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1、风力发电机组的齿轮箱设计维护技术风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低,远达不到发电机发电的要求,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,故也将齿轮箱称之为增速箱。根 据机组的总体布置要求,有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)和齿轮箱的输入轴合为一体,其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将大轴与齿轮箱分别布 置,其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力,常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置,配合叶尖制动(定桨距风轮)或变桨距制 动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组
2、安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷 暑、严寒和极端温差的影响,加之所处自然环境交通不便,齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦出现故障,修复非常困难,故对其可靠性和使用寿命都提出了比一 般机械高得多的要求。例如,对构件材料的要求,除了常规状态下机械性能外,还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性;应保证齿轮箱平稳工作,防止振动和冲击; 保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区,要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点,对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一 样的要求,齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。本章论述是以水平轴
3、风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为代表的。第一节 齿轮箱的设计齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下,使结构简化并且重量最轻。根据机组要求,采用CAD优化设 计,选用合理的设计参数,排定最佳传动方案,选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料,配备完整充分的润滑、冷却系 统和监控装置等等,是设计齿轮箱的必要前提条件。一、设计要求 齿轮箱作为传递动力的部件,在运行期间同时承受动、静载 荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型,对起动、 运行、空转
4、、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟,针对不同的机型得出相应的动态功率曲线,利用专用的设计软件进行分析计算,求出零部件的设计载 荷,并以此为依据,风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到,也可以按照JB/F10300 标准计算确定。国际上通行的风力发电机组认证规范有相应的章节给出载荷谱计算公式,本手册有关章节也对水平轴风力发电机组气动载荷谱分析计算作了详尽的讲解。这些资料都可用作设计计算的参考。对于齿轮箱的使用系数(即动载荷放大因子)推荐如下:1)当按照实测载荷谱计算时,齿轮箱使用系数KA=1;2)当无法得到载荷谱时,对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。风 力发
5、电机组齿轮箱的主要承载零件是齿轮,其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落,故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算,常用的 标准是GB/T3480 或DIN3990(等效采用IS06336)中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算,对轮齿进行极限状态分析。齿轮传动设计参数的选择:1, 形角(分度圆压力角)的选择7 齿轮的标准齿形角为2。为了提高强度,有时也采用大齿形角(如23、25、28等),使轮齿的齿厚及节点处的齿廓曲率半径增大,从而提高承载能 力,但会增大轴承上的载荷。采用小齿形角(小于20)时,可使避免根切的最少齿数增多,加大了重合度,从而降低噪声和动载荷,但会减小轮
6、齿的强度。根据实践经验,如果没有特别要求,建议采用20标准齿形角。2, 模数m 的选择 在满足轮齿弯曲强度的条件下,选用较小的模数可以增大齿轮副的重合度,减小滑动率,也可以减小齿轮切削量,降低制造成本。但随之而来的因制造和安装的质量 问题会增大轮齿折断的危险性,故实际使用常常选用较大模数。模数的选择应符合GB/TI357的规定或按照经验数据,取m=(0.015-0.02)a式中a齿轮传动的中心距。齿轮的基本齿廓应符合GB/TI356的规定。3, 齿数z 受齿轮根切的限制,小齿轮有最少齿数的要求。对于尺寸一定的齿轮,齿数增加和模数减小可明显提高传动质量,故在满足轮齿弯曲强度的条件下,应尽量选用较
7、多齿数。4, 螺旋角 角太小,将失去斜齿轮的优点;取大值,可增大重合度,使传动平稳性提高,但会引起很大的轴向力,一般取=8-15。人字齿轮可取大一些,例如取 =25-40。对于普通圆柱齿轮传动,低速级转速低扭矩大,可采用直齿轮;中间级通常取=8-12;高速级为减小噪声,可取较大的口角,如 10-15。5, 齿宽b齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一,但齿宽越大,载荷沿齿宽分布不均的现象越严重。齿轮应给定一个最小齿宽bmin,以保证齿轮足够的刚度。一般取bm,二68m。采用行星齿轮轮系传动时,为了提高传动装置的承载能力和减小尺寸和重量,往往对称布置多个行星轮,在设计时需要解决一些特殊问题,例如在
8、确定行星轮系的齿数时,要考虑以下几个条件:1)传动比条件:所设计的行星轮系必须能实现给定的传动比,各种类型行星轮系的传动比与齿数的关系可从机械设计手册中查到。2)邻接条件:使相邻两个行星轮的齿顶不相互干涉,保证其齿顶之间在连心线上至少有半个模数的空隙。3)同心条件:由中心轮和行星轮组成的所有齿轮副的实际中心距必须相等。4)装配条件:在行星轮系中,几个行星轮能对称装入并保证与中心轮正确啮合应具备的齿数关系。主要尺寸的初步确定(齿轮箱的主要尺寸可按下列方法之一初步确定):1)参照已有的工作条件相同或类似的传动,用类比方法初步确定主要尺寸。2)根据齿轮箱在机舱上的安装和布置要求,例如中心距、高度及外
9、廓尺寸要求,定出主要尺寸。3)根据计算机程序分析计算结果确定主要尺寸。风力发电机组齿轮箱的设计参数,除另有规定外,常常采用优化设计的方法,即利用计算机的分析计算,反复对比,在满足各种限制条件下求得最优设计方案。二、效率齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式计算:=1234式中1齿轮啮合摩擦损失的效率; 2轴承摩擦损失的效率; 3润滑油飞溅和搅油损失的效率; 4其他摩擦损失的效率。对 于行星轮系齿轮机构,计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩擦损失。行星齿轮轮系的效率可通用一般
10、机械设计手册推荐的公式进行计算。其方法主要有啮合功率 法和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构(定轴轮系)的机械效率来求出行星轮系的机械效率,虽然是一种近似算法,但由于方便计算和理解,故常用此法进行 设计计算。力偏移法有较高的精度,但计算繁杂,一般少用。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97%,是指在标准条件下应达到的指标。对 于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动,每一级传动的效率可概略定为99%,一般情况下,风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的 是,随着传递载荷的减小,效率会有所下降,这是因为整个齿轮箱的空载损失,即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩
11、擦以及密封等的损失,在传递功率变化 时几乎是不变的。三、噪声级风力发电齿轮箱的噪声标准为85dB(A)左右。噪声主要来自各传动件,故应采取相应降低噪声的措施:1)适当提高齿轮精度,进行齿形修缘,增加啮合重合度;2)提高轴和轴承的刚度;3)合理布置轴系和轮系传动,避免发生共振。齿轮箱安装时采取必要的减振措施,按规范找正,充分保证机组的联结刚度,将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543 规定的C级之内。四、可靠性按 照假定寿命最少20年的要求,视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析,对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳 定性和变形极限分析、动力学分析等。分析
12、方法除一般推荐的设计计算方法外,可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是在方案设计 开始时进行可靠性初步分析,而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算,其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。1. 概率计算:以零件的应力和强度都是正态分布为基本假设,计算出零件不破坏的概率,即可靠度R:利用正态分布特性表,可由b查得R,再由R查得a。零件强度的标准离差,可从材料强度的标准离差并考虑零件尺寸及表面各种状态而得到。无资料可查时,可取其值为疲劳强度-1的十分之一。2. 运用威布尔分布来表达强度分布的函数,运用伯格柏尔(G.Lundberg-A
13、.Palmgren)理论计算出零件可靠度的一定寿命值。3. 运用齿轮箱或零件的统计数据来估算寿命值。此方法用于方案设计。对于齿轮箱而言,在确定设计参数时要留有扩大功率的余地,即留有技术发展的空间。设计时应 采取必要的措施,尽可能降低噪声、振动等不利因素对可靠性的影响。例如,在对齿轮作静强度计算时,轮齿齿根和齿面的最大静应力不应大于其抵抗齿根断裂和齿 面点蚀的静强度值,通常取齿根抗断裂安全系数S1.4,齿面抗点蚀安全系数SH1.0。而估算零件疲劳寿命的主要方法是基于疲劳损伤积累是线性的这一假设或称迈内尔(MINER)定理。一 般情况下,齿轮的疲劳强度分析可按DIN3990 或与之等效的GB/T3
14、4811997进行,推荐使用的安全系数:按实测载荷谱计算时,轮齿表面接触疲劳强度安全系数1.2,齿根弯曲疲劳强度安全系 数1;无实测载荷谱计算时,轮齿表面接触疲劳强度安全系数1.3,弯曲强度安全系数1.7。行星齿轮传动的齿轮强度计算可采用定轴 齿轮传动的计算公式,因为每一种行星齿轮传动都可以分解为相互啮合的几对普通齿轮副。但需要考虑行星齿轮传动的特点(数个行星轮)和运动特点(行星轮既有 自转又有公转)。对于最常用的NGW型(所谓NGW型是指具有内啮合齿轮副、外啮合齿轮副和公用齿轮组成的行星齿轮传动机构),其承载能力主要取决于外啮 合,因而首先要计算出外啮合的齿轮强度。外啮合的中心轮,如NGW型
15、的太阳轮,因结构所限,尺寸较小,而又必须同时与几个行星齿轮相啮 合,负载重、变形大、工作条件不好,是传动中的薄弱环节,首先出现失效的可能性大,对这一点应给于足够的重视。内啮合齿轮的接触强度理论上此外啮合高得 多,但实践经验证明,在低速重载行星齿轮传动中,内齿轮的接触强度常低于计算值,所以在对内啮合齿轮进行强度计算时必须考虑这一因素。行星轮在运转中总是 双向受力,在对称循环应力作用下容易出现弯曲疲劳而造成断齿。需要特别指出的是断齿在行星齿轮传动中破坏性极大。当有一个轮齿先折断,碎块落在内齿轮上, 行星轮经过时会使传动卡死,或使所有齿轮甚至轴和箱体全部损坏。因此设计时提高齿轮强度和整个装置的可靠性
16、是非常重要的。为了使行星齿轮间载荷分配尽量均 衡,通常采用均载机构宋补偿不可避免的制造误差,即在机构设计上采取措施,使传动装置各构件在运转过程中,相互能够自动补偿各种误差,达到接近受载均匀的 目的。最常用的均载机构是利用基本构件浮动,亦即某些构件设计成允许作径向及偏转位移,当受载不均衡时可自动寻找平衡位置,直至各行星轮之间载荷接近均匀 分配。例如采用双齿或单齿式齿轮联轴器来保证浮动机构在受力不均匀时产生位移,基本构件中的一个或两个浮动,以实现均载。也有采用弹性元件或杠杆联动机构 实现均载的,但因结构复杂而很少采用。第二节 齿轮箱的构造一、齿轮箱的类型与特点风力发电机组齿轮箱的种类很多,按照传统
17、类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱;按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱;按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表8-1。二、齿轮箱图例各种齿轮箱图例如图8-1- 图8-26所示。图8-1为两级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。输入轴大齿轮和中间轴大齿轮都是以平键和过盈配合与轴联接;两个从动齿轮都是采用了轴齿轮的结构。图 8-2为两级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。风力发电机组的大轴通过齿形联轴节将动力传到第一级行星齿轮,再由太阳轮传至第二级行星轮,最后由末 级平行轴齿轮将动力分流输出。有两个取力装置,其中一个通
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- 风力 发电 机组 齿轮箱 设计 维护 技术
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