MAAGPV齒輪箱的設(shè)計(jì)

1、摘要：時(shí)下模塊化風(fēng)機(jī)齒輪箱的可靠性是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題。為此，Maag開發(fā)和試制了一種新型齒輪箱，在平衡剛度和柔性的基礎(chǔ)上能更好地實(shí)現(xiàn)載荷的分配均勻，具有較小的應(yīng)力和最佳齒輪接觸模式。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于：把主軸載荷支撐在兩個(gè)預(yù)緊的圓錐滾子軸承的齒輪箱輸入端；將輸入轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力分配為兩個(gè)行星齒輪傳動(dòng)級(jí)，同時(shí)減少齒輪上的單位載荷；另外，它適用于單壁行星架，且每個(gè)單壁行星架配備一排柔性的“集成式柔性銷軸承”，以確保行星齒輪之間載荷均勻，且消除了雙支撐行星架由于發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起的不對(duì)中問(wèn)題。如今，經(jīng)過(guò)一年的場(chǎng)地試驗(yàn)，Maag公司的其中一種PV齒輪箱已經(jīng)在位于蘇格蘭奧克尼島(OrkneyIsland)的全

2、球最大風(fēng)力開發(fā)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并被證明非常成功。其應(yīng)用結(jié)果將在本文中予以講述。前言：行星輪系的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)Maag齒輪有限公司現(xiàn)將增速齒輪箱PV納入風(fēng)力發(fā)電機(jī)業(yè)務(wù)，其獨(dú)特設(shè)計(jì)和不斷改良的性能引發(fā)了工業(yè)界的廣泛興趣和持續(xù)關(guān)注。在決定設(shè)計(jì)之前，Maag認(rèn)真地考慮了原始設(shè)備制造商和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員提出的要求，了解了傳動(dòng)裝置中可能發(fā)生的損壞形式。通過(guò)這些調(diào)查，還掌握到齒輪箱的特殊要求： 在某種程度上還沒(méi)有充分了解其高動(dòng)態(tài)載荷 驅(qū)動(dòng)系和機(jī)架內(nèi)的軟結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響傳動(dòng)裝置 風(fēng)機(jī)惡劣的運(yùn)行條件從這些調(diào)查中得出的結(jié)論是：齒輪箱的可靠性問(wèn)題必須通過(guò)引進(jìn)新的、創(chuàng)造性的理念加以解決。雙支撐行星輪架的扭轉(zhuǎn)變形在當(dāng)今的風(fēng)電齒輪

3、箱中，行星輪系的典型結(jié)構(gòu)是采用銷軸支撐雙壁托架的兩端，該設(shè)計(jì)方式有時(shí)被稱作雙支撐安裝。見圖1。每個(gè)行星齒輪處于一個(gè)固定的與鄰近行星齒輪相關(guān)的位置，形成一個(gè)至少在徑向和圓周方向具有相當(dāng)剛性的排列。圖1:雙支撐行星架設(shè)計(jì)以此來(lái)實(shí)現(xiàn)所由此，行星齒輪之間的載荷分配取決于對(duì)制造公差和零部件間隙的控制,有嚙合點(diǎn)處的間隙均勻。如圖2所示，某種程度的載荷不均勻是不可避免的。圖2:嚙合間隙的差異眾所周知，這種行星架會(huì)出現(xiàn)相對(duì)不同程度的相對(duì)行星軸線扭轉(zhuǎn)和偏心，程度與行星架的強(qiáng)度和施加的轉(zhuǎn)矩有關(guān)。一個(gè)普遍的做法是對(duì)行星齒輪的齒面實(shí)施前期校正，用以在與施加的轉(zhuǎn)矩的同一水平上補(bǔ)償這個(gè)偏心。但是對(duì)于其它的載荷情況，這個(gè)前

4、期校正可能小于理想情況。遵循長(zhǎng)期建立的設(shè)計(jì)慣例能部分地優(yōu)化這種設(shè)計(jì)，但不幸的是有時(shí)仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)由于偏心而引起的齒輪邊緣損壞，如圖3所示。圖3:齒輪邊緣的損壞MAAGPV齒輪箱的設(shè)計(jì)特性在認(rèn)真考慮了所有這些因素以后，Maag設(shè)計(jì)采用了行星輪分流，后面再加一級(jí)直齒輪傳動(dòng)。n級(jí)傳動(dòng)中的齒圈和I級(jí)傳動(dòng)中的行星齒輪由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。I級(jí)傳動(dòng)中傳輸?shù)膭?dòng)力經(jīng)過(guò)分流，一部分被傳輸?shù)诫S轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的行星架。相應(yīng)的n級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是為了傳輸另外一部分。按照設(shè)計(jì)選擇，在I級(jí)傳動(dòng)中達(dá)到35%勺轉(zhuǎn)矩部分，在n級(jí)傳動(dòng)中達(dá)到65%勺轉(zhuǎn)矩部分。這種概念的優(yōu)點(diǎn)在于能減少齒輪的接觸負(fù)荷。所有的關(guān)鍵位置都配備有預(yù)緊的圓錐滾子軸承。這樣調(diào)整的軸承

5、沒(méi)有初始間隙，當(dāng)存在起伏的、反向的或無(wú)載荷的條件下能很好地控制軸的運(yùn)動(dòng)和齒輪的位置。例如，輸入軸的位置裝有一個(gè)大型預(yù)緊雙排圓錐滾子軸承，將主軸的彎曲載荷傳遞到支架和框架結(jié)構(gòu)上，從而減少了行星架和齒圈之間的偏心。需要著重指出的是，每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，不管是齒輪的接觸點(diǎn)或者是軸承的支撐，都應(yīng)帶有強(qiáng)制油潤(rùn)滑系統(tǒng)。除了將潤(rùn)滑油供應(yīng)到每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的中心分配系統(tǒng)以外，潤(rùn)滑系統(tǒng)還應(yīng)該包含一臺(tái)機(jī)械驅(qū)動(dòng)泵，以便確保它獨(dú)立于外部油泵而單獨(dú)供油。為了進(jìn)一步地減少負(fù)荷，I級(jí)傳動(dòng)內(nèi)有5只行星齒輪，n級(jí)傳動(dòng)內(nèi)有7只行星齒輪，這也區(qū)別于雙支撐行星齒輪設(shè)計(jì)中一般習(xí)慣使用的3只或4只行星齒輪。實(shí)施所有這些設(shè)計(jì)措施以后，單個(gè)齒輪接觸的載

6、荷得以減少。例如同使用3只行星齒輪和動(dòng)力未做分配的設(shè)計(jì)相比較，其系數(shù)是3.6。這樣就能使用更小直徑的行星齒輪和更小接觸寬度的齒輪，繼而接觸寬度上的載荷分配得以改善。使用更小直徑的和更窄的行星齒輪能為建立更加小巧和更輕重量的設(shè)計(jì)提供了良好機(jī)會(huì)。使用多個(gè)帶有柔性銷結(jié)構(gòu)的行星齒輪為了分別在I級(jí)和II級(jí)傳動(dòng)中實(shí)現(xiàn)5只或7只行星惰輪之間的載荷平衡，應(yīng)該加入一只一般稱作為“柔性銷”的柔性元件。應(yīng)該指出，在風(fēng)機(jī)齒輪箱中使用柔性銷還不是一個(gè)慣常的做法，而在Maag,其在為其它工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置中，例如水泥磨碎機(jī)、軋鋼機(jī)、海船驅(qū)動(dòng)和渦輪發(fā)電機(jī)等已經(jīng)是普遍成功的應(yīng)用了。如圖4所示，柔性行星輪的設(shè)計(jì)采用了一個(gè)一

7、雙相對(duì)的懸臂梁系統(tǒng)（銷軸從行星架壁懸伸出，而套筒從銷軸的尾部懸臂伸出），它們?cè)谳d荷下的偏斜抵消了它們彎曲時(shí)形成的偏心。圖4：對(duì)立的懸臂梁抵消了偏心這個(gè)解決方案能固定太陽(yáng)齒輪和齒圈的徑向位置，而行星齒輪則安裝在柔性銷上。也就是說(shuō)，每個(gè)行星齒輪能在兩個(gè)中心齒輪之間的徑向上實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。除了徑向移動(dòng)以外，沿圓周方向和平行于行星架的線性移動(dòng)都是可能的，并能在單個(gè)行星齒輪之間達(dá)到更均勻的負(fù)荷分配，在整個(gè)動(dòng)力的范圍內(nèi)沒(méi)有偏心。以上描述的由于扭轉(zhuǎn)變形引起的偏心實(shí)際上已被消除，對(duì)于Maag而言，無(wú)須對(duì)他們的齒輪進(jìn)行任何前期校正。圖5中的圖線表明，對(duì)于II級(jí)傳動(dòng)中使用的7只行星齒輪而言，載荷分配系數(shù)K-gamm

8、atZ大約是1.08（試驗(yàn)測(cè)量值），而對(duì)于具有7只行星齒輪的雙支撐行星輪而言，傳統(tǒng)的K-gamma系數(shù)是1.47,這就等于在H級(jí)傳動(dòng)中能夠減少設(shè)計(jì)負(fù)荷27%Kg與載荷（%）2030405060708090100載荷（%）圖6柔性銷的設(shè)計(jì)還有助于補(bǔ)償由于零部件的彈性而引起的傳動(dòng)裝置的部分內(nèi)部變形。例如在由于行星架的扭曲引起行星齒輪偏心的情況下，柔性銷就能夠使齒輪的接觸產(chǎn)生某些重新對(duì)準(zhǔn)。由于柔性銷的剛度是齒輪上施加力的函數(shù)，它的變動(dòng)有助于重新對(duì)準(zhǔn)的發(fā)生。在PV齒輪箱設(shè)計(jì)中，載荷施加于齒輪中心時(shí)的柔性銷的剛度比載荷施加于銷釘?shù)亩瞬康膭偠却?倍。換言之，偏斜誤差越大，柔性銷釘?shù)难a(bǔ)償柔性也越大。用于提高

9、行星齒輪工作能力的集成式柔性銷軸承設(shè)計(jì)為了增大每一傳動(dòng)級(jí)的柔性銷行星齒輪的功率密度，Maag同鐵姆肯公司合作從事了一項(xiàng)稱作集成式柔性銷軸承（IFB）的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。鐵姆肯公司的集成式柔性銷軸承是一個(gè)子裝配件，是由上個(gè)世紀(jì)八十年代中期他們所進(jìn)行的“緊湊軌道齒輪”的工程發(fā)展而來(lái)。該工程在他們的位于北蘇格蘭海灘上的Orkney島上的試驗(yàn)基地的風(fēng)能團(tuán)隊(duì)的3MW風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)建有和應(yīng)用了配備有柔性銷釘?shù)凝X輪箱。見圖6。圖6:上個(gè)世紀(jì)八十年代中期的風(fēng)能團(tuán)隊(duì)的3MW風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的布置。它由多個(gè)零部件組成，以便達(dá)到希望的載荷分配特征。雖然外圈同齒輪的集成能夠減少總的直徑，但是鐵姆肯公司的單排圓錐內(nèi)圈仍然安裝在套筒

10、上。圓錐軸承采用手工裝配達(dá)到預(yù)緊，裝配件有必要的長(zhǎng)度，以便具有所需的柔性，確保足夠的載荷平衡。圖7:在風(fēng)能團(tuán)隊(duì)的3MV網(wǎng)機(jī)齒輪箱上使用的柔性銷圖8所示為柔性銷軸承的設(shè)計(jì)。由于外圈同齒輪的集成以及內(nèi)圈同套筒的集成，就能夠采用較大直徑的滾子。這樣軸承的工作能力能夠增加40%,軸承的L10增加一個(gè)系數(shù)3。使用缺口銷軸（沒(méi)有示出其它特殊銷軸的輪廓）的其它特性能夠使柔性銷軸承的設(shè)計(jì)的總長(zhǎng)度縮短，并具有足夠的柔性從而提高行星齒輪間的載荷平衡。圖8:集成式柔性銷軸承本文作者觀察到，對(duì)于典型速度下的風(fēng)機(jī)行星輪系統(tǒng)的柔性銷軸承的運(yùn)行而言，預(yù)緊的圓錐滾子軸承是滾動(dòng)接觸軸承的首選。預(yù)緊設(shè)置在軸承制造生產(chǎn)廠進(jìn)行，通過(guò)

11、精確控制使所有集成式柔性銷軸承達(dá)到非常一致的彈性。更為重要的是這有助此外，均勻的預(yù)緊能夠減小圓柱軸承或調(diào)心軸承常有的游隙差異,于減少偏斜載荷所引起的非對(duì)中。作者在圖9所示的試驗(yàn)室進(jìn)行了重大試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u(píng)定實(shí)際的集成式柔性銷軸承的偏斜特性，確認(rèn)偏斜預(yù)測(cè)與測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性，如圖10所示。圖9:鐵姆肯公司IFB試驗(yàn)室齒輪的偏心測(cè)量值/計(jì)算值徑向偏斜+22%應(yīng)力水平+5%線性程度+10%+15%圖10:試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)量值與計(jì)算值的比較圖11表格來(lái)源于一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，它表明偏斜模式與施加轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系，而在所有的載荷水平下齒輪面的偏心實(shí)際上是零。在鐵姆肯公司白試驗(yàn)室對(duì)300%以下的載荷進(jìn)行了測(cè)量，并為

12、Maag試驗(yàn)室的滿載試驗(yàn)所證實(shí)。徑向位移與載荷L61.41. 210.80.60.40.20050100150200250300350400載荷圖ii預(yù)/試生產(chǎn)系列傳動(dòng)裝置試驗(yàn)第一套用于N60風(fēng)機(jī)的預(yù)/試生產(chǎn)系列齒輪箱,在與NORDEX勺協(xié)作下已經(jīng)建成。該裝置必須與現(xiàn)有的裝置進(jìn)行合并，并須加以驗(yàn)證。圖12中的第一套兩臺(tái)預(yù)/試生產(chǎn)系列傳動(dòng)裝置，在不同的載荷條件下，已在滿載荷試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了認(rèn)真的試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，對(duì)其齒輪載荷、溫度形成和噪聲傳播各方面都給予了充分的關(guān)注。在對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行了某些初始的優(yōu)化工作后，它的優(yōu)越性就很快地顯現(xiàn)出來(lái)。圖12：Maag的滿載荷試驗(yàn)為了滿足Maag的規(guī)范要求,對(duì)所

13、有的齒輪接觸模式都進(jìn)彳T了仔細(xì)的檢查和確認(rèn),正如圖13中第2級(jí)太陽(yáng)輪所展現(xiàn)的那樣。第2級(jí)太陽(yáng)輪十分優(yōu)良的接觸模式13：在功率計(jì)試驗(yàn)后第2級(jí)太陽(yáng)輪狀態(tài)另外，由于主要潤(rùn)滑點(diǎn)都有潤(rùn)滑油供應(yīng)，因此，溫度特牲對(duì)軸承、齒輪接觸和總體傳動(dòng)裝置的影響總是可以控制的。例如，按以下方式控制軸承溫度是可能的，那就是：在最高的軸承溫度和其油池溫度之間，在冷啟動(dòng)條件下，使其溫差（DT）控制在15K,而在操作中，控制在7K。同樣，對(duì)噪聲的傳播也給予了極大的注意，因?yàn)轫氁C明的是：直齒行星輪傳動(dòng)裝置也能安靜地運(yùn)行，這也是所有齒輪箱設(shè)計(jì)者首先必須關(guān)注的。事實(shí)上，試驗(yàn)證明了：噪聲水平都在規(guī)定的極限值以下。試驗(yàn)顯示出：如果所有的

14、直齒輪的設(shè)計(jì)和安裝都是正確的話，那么，它們都適用于風(fēng)機(jī)齒輪箱。這一點(diǎn)可歸因于PV齒輪箱的以下兩種重要的性能：首先，兩個(gè)齒圈中的任何一個(gè)齒圈都不是箱體的一個(gè)組成部分，箱體阻止了噪聲向環(huán)境發(fā)出的直接的輻射。其次，集成柔性銷軸承相對(duì)于箱體的柔性使齒輪接觸與箱體沒(méi)有剛性地接合，柔性銷軸承對(duì)行星齒輪嚙合點(diǎn)的振動(dòng)起到阻尼的作用。在奧克尼島（OrkneyIsland）的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)自從2004年以來(lái)，在奧克尼島（80年代中期同樣在此地，風(fēng)能集團(tuán)開展了相同的工程,采用了緊湊的軌道式齒輪箱設(shè)計(jì)），第一套齒輪已經(jīng)在NordexN60中投入使用，見圖14。之所以選擇奧克尼島，是因?yàn)槟抢镩L(zhǎng)期處于苛刻的操作條件。在此，適合

15、于大批量風(fēng)機(jī)的恒定運(yùn)行是可能的，并且伴有極高的動(dòng)載荷和極限載荷。在過(guò)去近5個(gè)月內(nèi)，平均風(fēng)速為9.2m/s，最高風(fēng)速達(dá)21.5m/s。圖14：在奧克尼島對(duì)NordexNO601.2MW力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)該齒輪箱配有一套在線的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)(CMS,如圖15所示，依靠該系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù),如溫度、振動(dòng)量和油壓，都可測(cè)量到。數(shù)據(jù)分析到目前為止還沒(méi)有顯示性能的改變，并且也沒(méi)有出現(xiàn)任何即將損壞的跡象。圖15:在奧克尼島測(cè)量溫度、振動(dòng)量和油壓等的狀態(tài)監(jiān)測(cè)器為了驗(yàn)證這一數(shù)據(jù)，并強(qiáng)化一開始關(guān)于齒輪箱可靠性的結(jié)論，在2004年8月，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在這一試驗(yàn)中，對(duì)齒輪接觸進(jìn)行了外觀檢查，還對(duì)其接觸模式進(jìn)行了分析。首先

16、，對(duì)直齒輪傳動(dòng)比值進(jìn)行了檢驗(yàn)。在此，對(duì)于所有輪齒，在輪齒的全部寬度范圍內(nèi)，對(duì)其均勻而又光亮的接觸模式進(jìn)行了檢查，見圖16。在該圖中，人們可以看到：在其承受載荷的齒輪側(cè)面上，仍舊可辨的機(jī)加工表面光潔度非常一致。圖16:在輸出端嚙合處的大齒輪上，所有磨加工痕跡仍清晰可見，且表面狀態(tài)極佳其次，依靠?jī)?nèi)窺鏡的幫助，對(duì)高度受載的行星式二級(jí)齒輪進(jìn)行了檢驗(yàn)，見圖17。在行星齒輪的全部齒寬范圍內(nèi)，存在著十分清潔的接觸表面，沒(méi)有任何磨損的跡象。機(jī)加工表面依然是完整無(wú)損，這表明：既沒(méi)有任何磨損發(fā)生，也沒(méi)有過(guò)載的情況出現(xiàn)。暗線表示表面有輕微的磨光現(xiàn)象。載荷模式的痕跡是勉強(qiáng)可以辨認(rèn)的。圖17:第2級(jí)行星齒輪齒太陽(yáng)輪齒表

17、示的結(jié)果與行星齒輪齒的表示結(jié)果一樣良好，見圖18。在這些接觸模式中,集成式柔性銷軸承的功能令人留下了非常深刻的印象。由于直齒輪和行星齒輪齒接觸模式正常，齒輪齒磨損損壞應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)。圖18:太陽(yáng)輪齒另外，提取了油樣品。其分析結(jié)果表明：傳動(dòng)裝置中不存在任何磨損。在現(xiàn)場(chǎng)，也對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS的可信度進(jìn)行了檢驗(yàn)?？傊瑱z查并未顯示出任何種類的不正?，F(xiàn)象，并支持連續(xù)的、無(wú)限制的運(yùn)行。在彳惠國(guó)Ihlewitz的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從2004年8月以來(lái)，在德國(guó)Ihlewitz已經(jīng)安裝了第2套齒輪箱。在此，也安裝了一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS,然而，這套狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)具有擴(kuò)大的監(jiān)測(cè)范圍。另外，對(duì)上述數(shù)據(jù)、主軸和發(fā)電機(jī)軸的扭矩都進(jìn)行了記錄。從這一附加的資料數(shù)據(jù)中，有關(guān)齒輪箱的剛性和動(dòng)力學(xué)性能就可從中推導(dǎo)出來(lái)。在2005年四月十五日，依靠?jī)?nèi)窺鏡的協(xié)助，進(jìn)行了外觀檢查。軸承和齒輪再一次被觀察到處于良好狀態(tài)，如圖19所示。圖19a：典型的軸承滾子一原始的光潔度幾乎未變圖19b：典型的軸承滾子端部一原始的磨加工痕跡依然可見圖19c：大齒輪嚙合處與所有原始的光潔度依然明顯至于噪聲的問(wèn)題，除了說(shuō)在許可范圍內(nèi)目前還無(wú)法對(duì)總體的一個(gè)噪聲水平進(jìn)行更多評(píng)述。一旦條件成熟和時(shí)間許可，綜合性的噪聲測(cè)定將會(huì)進(jìn)行。結(jié)論人們嘗試考慮在更加詳細(xì)的載荷資料、更加精確的計(jì)算方法和制造質(zhì)量改進(jìn)的情況下，一個(gè)