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概述风电齿轮箱设计流程

风力发电齿轮箱的作用是将风力带动的槳叶经齿轮箱增速后传给发电机发电,风电齿轮箱是风力发电动力传递的核心装置,一旦齿轮箱出了问题,整台发电设备就处于瘫痪状态,齿轮箱而且齿轮箱处于几十米的高空,维修吊装极为困难,由于齿轮箱使用工况很不稳定,工况极其恶劣,而且要持续每年300天以上运行。这些都应该在齿轮箱的设计中考虑和解决的问题。因此齿轮箱的设计必需安全可靠,经久耐用。
       目前我国使用的国内外风电齿轮箱,主要有配套有GE、维德、美德、德雅可夫、维司塔斯、西班牙等各公司齿轮箱,以及在此基础上进行设计的国内生产的风电齿轮箱。
          目前这些齿轮箱的适用范围为:发电功率200KW-1660KW,风力带动桨叶的转速为1928.5rmin(齿轮箱的输入转速),增速齿轮箱的输出转速为14401520rmin(发电机转速),齿轮箱的速比范围为:U=3678(个别达到98
我国风力发电的发展。
       为此我们对国内外的大型风电齿轮箱进行了详细的研究,分析和计算,尽管出现故障部位和情况多种多样,比如说,断轴、齿面点蚀剥落断齿、箱体开裂、漏油等等。但是归根结底还是一个问题:就是齿轮箱设计的安全系数过小,齿轮强度偏低,可靠性差。片面追求高精度,反映了国外风电齿轮箱片面采用高精度换取高强度的设计理念。出了问题也只能xx医头脚痛医脚,不能从根本上解决问题。

目前国内外的这些大型风电齿轮箱的主要结构型式有三种:1、二级平行轴,2、三级平行轴,3、一级行星加二级平行轴.在大功率的风电齿轮箱中主要是第3种结构型式,即为一级行星加二级平行轴的结构型式。结构示意图如图一所示:
 
       其传动路线是;桨叶——传动轴——收缩套——行星架——太阳轮——第二级平行轴大齿轮——第二级平行轴小齿轮——{dy}级平行轴大齿轮——{dy}级平行轴小齿轮——发电机
齿轮箱的材料:外齿轮材料为优质低碳合金结构钢,如17CrNiMo6,内齿轮材料为42CrMoA,内齿圈磨齿,外齿轮渗碳淬火磨齿,精度在ISO1328之6级以上,轴承全部为SKF、FAG、NSK等进口轴承,且多为双列向心球面滚子轴承,单列园柱滚子轴承等。
        齿轮箱的润滑为强制润滑系统,设置有油泵、过滤器,下箱体作为油箱使用,油泵从箱体抽油口抽油后经过过滤器通过管系将油送往齿轮箱的轴承,齿轮等各个润滑部位。还设置有电加热器,测油温的热电阻PT100,油位传感器,液压空气滤清器等等,以适于地面监控。
        无论是从国外进口的风电齿轮箱,还是国内生产的风电齿轮箱,在使用中都出现过质量问题,国内生产的故障率更高,返修比例很大,甚至成百台的返修,这样给用户和制造厂都带来了重大的经济损失,这些严酷的事实使我们清醒地认识到,目前风电齿轮箱的质量还不过硬,如果这个问题不解决,将严重地制约着下面从825KW的某风电齿轮箱为例进行的计算结果,计算分两个项目进行,即我们通常进行的接触强度和弯曲强度的计算,为了简化,我们用接触强度系数K和弯曲强度(荷模比)W来表示,计算公式:             K=Ft(u+1)/bdu     
W=Ft/bMn    
{dy}级平行轴齿轮(高速级)K=51 W=69
第二级平行轴齿轮(中间级)K=56 W=86
第三级行星传动(低速级)K=58W=66
K、W值越大,安全系数越小。
因此根据我们长期设计的经验,根据风电齿轮箱的实际使用工况,风电齿轮的设计值应该为K=45,W=80以下比较合适,K、W值越小,安全系数越大,越安全。
因此风力发电齿轮箱设计思想是:
1、 思想上不要局限在国外已有产品的水平上,要打破框框,要根据国内的材料、工艺加工、使用等实际情况设计风电齿轮箱。
2、 核心的问题是提高齿轮强度提高安全系数,提高可靠性,达到上述KW设计要求。在提高可靠性的同时,要保持同型号的齿轮箱的重量和外形尺寸基本一致,尽可能保持安装尺寸的通用性,当然重量变轻、尺寸能缩小更好。
3、 由于齿轮箱的维修非常困难,且不经济,{zh0}做到更换小零件不用吊到地面,在舱内就可以进行。平时能{zd0}限度的观测齿轮箱内部的运行情况,及时发现问题和检修。
4、 轴承的选用以寿命长为原则,在同样的条件下应选用额定负荷{zd0}的轴承,使用寿命最长。
5、 彻底解决漏油问题。
        根据上述设计思想我们设计了新一代的风电齿轮箱,在国外现有风电齿轮箱的基础上推陈出新,突破了国内外传统的结构型式,采用了更为先进的一级平行轴加两级行星的结构型式。结构示意图如图二所示:   其传动路线是;桨叶——传动轴——收缩套——第二级行星架——第二级太阳轮——{dy}级行星架——{dy}级太阳轮——平行轴大齿轮——平行轴小齿轮——发电机
经过优化设计齿轮强度计算值如下;
平行轴齿轮(高速级)    K=36.85  W=56.25
{dy}级行星传动(中间级)K=36    W=62.5
第二级行星传动(低速级)K=45    W=60.9
         从计算结果可以看出;安全系数大大提高了,传递能力提高30 %左右,从根本上保证了风电齿轮箱的可靠性、安全性和使用寿命的要求。这两种齿轮箱外形尺寸如图三所示:

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