1、摘 要：时下模块化风机齿轮箱的可靠性是一个普遍存在的问题。为此，Maag 开发和试制了一种新型齿轮箱，在平衡刚度和柔性的基础上能更好地实现载荷的分配均匀，具有较小的应力和最佳齿轮接触模式。该设计的特点在于：把主轴载荷支撑在两个预紧的圆锥滚子轴承的齿轮箱输入端；将输入转矩的动力分配为两个行星齿轮传动级，同时减少齿轮上的单位载荷；另外，它适用于单壁行星架，且每个单壁行星架配备一排柔性的“集成式柔性销轴承”，以确保行星齿轮之间载荷均匀，且消除了双支撑行星架由于发生扭转变形而引起的不对中问题。如今，经过一年的场地试验，Maag 公司的其中一种 PV 齿轮箱已经在位于苏格兰奥克尼岛（Orkney Isl
2、and）的全球最大风力开发项目中得到应用，并被证明非常成功。其应用结果将在本文中予以讲述。前言：行星轮系的设计挑战Maag 齿轮有限公司现将增速齿轮箱 PV 纳入风力发电机业务，其独特设计和不断改良的性能引发了工业界的广泛兴趣和持续关注。在决定设计之前，Maag 认真地考虑了原始设备制造商和风电场运行人员提出的要求，了解了传动装置中可能发生的损坏形式。通过这些调查，还掌握到齿轮箱的特殊要求： 在某种程度上还没有充分了解其高动态载荷 驱动系和机架内的软结构会直接影响传动装置 风机恶劣的运行条件从这些调查中得出的结论是：齿轮箱的可靠性问题必须通过引进新的、创造性的理念加以解决。双支撑行星轮架的扭转
3、变形 在当今的风电齿轮箱中，行星轮系的典型结构是采用销轴支撑双壁托架的两端，该设计方式有时被称作双支撑安装。见图 1。每个行星齿轮处于一个固定的与邻近行星齿轮相关的位置，形成一个至少在径向和圆周方向具有相当刚性的排列。图 1：双支撑行星架设计由此，行星齿轮之间的载荷分配取决于对制造公差和零部件间隙的控制，以此来实现所有啮合点处的间隙均匀。如图 2 所示，某种程度的载荷不均匀是不可避免的。图 2：啮合间隙的差异众所周知，这种行星架会出现相对不同程度的相对行星轴线扭转和偏心，程度与行星架的强度和施加的转矩有关。一个普遍的做法是对行星齿轮的齿面实施前期校正，用以在与施加的转矩的同一水平上补偿这个偏心
4、。但是对于其它的载荷情况，这个前期校正可能小于理想情况。遵循长期建立的设计惯例能部分地优化这种设计，但不幸的是有时仍然会发现由于偏心而引起的齿轮边缘损坏，如图 3 所示。图 3：齿轮边缘的损坏MAAG PV 齿轮箱的设计特性在认真考虑了所有这些因素以后，Maag 设计采用了行星轮分流，后面再加一级直齿轮传动。级传动中的齿圈和 I 级传动中的行星齿轮由转子驱动。I 级传动中传输的动力经过分流，一部分被传输到随转子转动的行星架。相应的级传动的设计是为了传输另外一部分。按照设计选择，在 I 级传动中达到 35%的转矩部分，在级传动中达到 65%的转矩部分。这种概念的优点在于能减少齿轮的接触负荷。所有
5、的关键位置都配备有预紧的圆锥滚子轴承。这样调整的轴承没有初始间隙，当存在起伏的、反向的或无载荷的条件下能很好地控制轴的运动和齿轮的位置。例如，输入轴的位置装有一个大型预紧双排圆锥滚子轴承，将主轴的弯曲载荷传递到支架和框架结构上，从而减少了行星架和齿圈之间的偏心。需要着重指出的是，每个润滑点，不管是齿轮的接触点或者是轴承的支撑，都应带有强制油润滑系统。除了将润滑油供应到每个转动部件的中心分配系统以外，润滑系统还应该包含一台机械驱动泵，以便确保它独立于外部油泵而单独供油。为了进一步地减少负荷，I 级传动内有 5 只行星齿轮，级传动内有 7 只行星齿轮，这也区别于双支撑行星齿轮设计中一般习惯使用的
6、3 只或 4 只行星齿轮。实施所有这些设计措施以后，单个齿轮接触的载荷得以减少。例如同使用 3 只行星齿轮和动力未做分配的设计相比较，其系数是 3.6。这样就能使用更小直径的行星齿轮和更小接触宽度的齿轮，继而接触宽度上的载荷分配得以改善。使用更小直径的和更窄的行星齿轮能为建立更加小巧和更轻重量的设计提供了良好机会。使用多个带有柔性销结构的行星齿轮为了分别在 I 级和 II 级传动中实现 5 只或 7 只行星惰轮之间的载荷平衡，应该加入一只一般称作为“柔性销”的柔性元件。应该指出，在风机齿轮箱中使用柔性销还不是一个惯常的做法，而在 Maag， 其在为其它工业设备设计的传动装置中，例如水泥磨碎机、
7、轧钢机、海船驱动和涡轮发电机等已经是普遍成功的应用了。如图 4 所示，柔性行星轮的设计采用了一个一双相对的悬臂梁系统（销轴从行星架壁悬伸出，而套筒从销轴的尾部悬臂伸出），它们在载荷下的偏斜抵消了它们弯曲时形成的偏心。图 4：对立的悬臂梁抵消了偏心这个解决方案能固定太阳齿轮和齿圈的径向位置，而行星齿轮则安装在柔性销上。也就是说，每个行星齿轮能在两个中心齿轮之间的径向上实现自我调节。除了径向移动以外，沿圆周方向和平行于行星架的线性移动都是可能的，并能在单个行星齿轮之间达到更均匀的负荷分配，在整个动力的范围内没有偏心。以上描述的由于扭转变形引起的偏心实际上已被消除，对于 Maag 而言，无须对他们的
8、齿轮进行任何前期校正。图 5 中的图线表明，对于 II 级传动中使用的 7 只行星齿轮而言，载荷分配系数 K-gamma 仅大约是 1.08（试验测量值），而对于具有 7 只行星齿轮的双支撑行星轮而言，传统的 K-gamma 系数是 1.47，这就等于在级传动中能够减少设计负荷 27%。图 6柔性销的设计还有助于补偿由于零部件的弹性而引起的传动装置的部分内部变形。例如在由于行星架的扭曲引起行星齿轮偏心的情况下，柔性销就能够使齿轮的接触产生某些重新对准。由于柔性销的刚度是齿轮上施加力的函数，它的变动有助于重新对准的发生。在 PV 齿轮箱设计中，载荷施加于齿轮中心时的柔性销的刚度比载荷施加于销钉的
9、端部的刚度大 4 倍。换言之，偏斜误差越大，柔性销钉的补偿柔性也越大。用于提高行星齿轮工作能力的集成式柔性销轴承设计为了增大每一传动级的柔性销行星齿轮的功率密度，Maag 同铁姆肯公司合作从事了一项称作集成式柔性销轴承 (IFB) 的设计项目。铁姆肯公司的集成式柔性销轴承是一个子装配件，是由上个世纪八十年代中期他们所进行的“紧凑轨道齿轮”的工程发展而来。该工程在他们的位于北苏格兰海滩上的 Orkney 岛上的试验基地的风能团队的 3MW 风力涡轮机内建有和应用了配备有柔性销钉的齿轮箱。见图 6。图 6：上个世纪八十年代中期的风能团队的 3MW 风力涡轮机设计的布置。它由多个零部件组成，以便达到
10、希望的载荷分配特征。虽然外圈同齿轮的集成能够减少总的直径，但是铁姆肯公司的单排圆锥内圈仍然安装在套筒上。圆锥轴承采用手工装配达到预紧，装配件有必要的长度，以便具有所需的柔性，确保足够的载荷平衡。图 7：在风能团队的 3MW 风机齿轮箱上使用的柔性销图 8 所示为柔性销轴承的设计。由于外圈同齿轮的集成以及内圈同套筒的集成，就能够采用较大直径的滚子。这样轴承的工作能力能够增加 40%，轴承的 L10 增加一个系数 3。使用缺口销轴（没有示出其它特殊销轴的轮廓）的其它特性能够使柔性销轴承的设计的总长度缩短，并具有足够的柔性从而提高行星齿轮间的载荷平衡。图 8：集成式柔性销轴承本文作者观察到，对于典型
11、速度下的风机行星轮系统的柔性销轴承的运行而言，预紧的圆锥滚子轴承是滚动接触轴承的首选。预紧设置在轴承制造生产厂进行，通过精确控制使所有集成式柔性销轴承达到非常一致的弹性。此外，均匀的预紧能够减小圆柱轴承或调心轴承常有的游隙差异，更为重要的是这有助于减少偏斜载荷所引起的非对中。作者在图 9 所示的试验室进行了重大试验，试验目的在于评定实际的集成式柔性销轴承的偏斜特性，确认偏斜预测与测量结果的相关性，如图 10 所示。图 9：铁姆肯公司 IFB 试验室齿轮的偏心 测量值/计算值径向偏斜 +22%应力水平 +5%线性程度 +10%+15%图 10：试验结果，测量值与计算值的比较图 11 表格来源于一
12、个试验结果，它表明偏斜模式与施加转矩呈线性关系，而在所有的载荷水平下齿轮面的偏心实际上是零。在铁姆肯公司的试验室对 300% 以下的载荷进行了测量，并为 Maag 试验室的满载试验所证实。图 11预/试生产系列传动装置试验第一套用于 N60 风机的预/试生产系列齿轮箱, 在与 NORDEX 的协作下已经建成。该装置必须与现有的装置进行合并，并须加以验证。图 12 中的第一套两台预/试生产系列传动装置，在不同的载荷条件下，已在满载荷试验台上进行了认真的试验。在这些试验中，对其齿轮载荷、温度形成和噪声传播各方面都给予了充分的关注。在对传动装置进行了某些初始的优化工作后，它的优越性就很快地显现出来。
