齿轮箱—模块化风机机械动力传动装置的先进解决方案

齿轮箱—模块化风机机械动力传动装置的先进解决方案摘要：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 Island）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。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。

Ⅱ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Ⅱ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Ⅱ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，Ⅱ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M aag，其在为其它工业设备设计的传动装置中，例如水泥磨碎机、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Ⅱ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