风电增速箱一般结构及原理

风电增速箱的一般结构及原理风力发电机整体结构风力发电机由叶片、增速齿轮箱、风叶控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成。视频图1风力发电机部件位置图增速箱概述功能：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特点1、安装空间狭小，要求体积小、重量轻。2、受无规律的变向变负荷及强阵风的冲击3、常年经受酷暑严寒和极端温差的影响4、所处环境交通不便，拆卸及运输不便5、一旦出现故障，修复非常困难常见增速箱的一般结构德国弗兰德4280系列（642kw）增速箱结构图1一级行星齿轮+二级平行轴圆柱齿轮传动的增速箱结构简图ⅠⅡⅢⅡⅠⅢ传动结构：由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动组成传动过程：主轴胀紧套行星架行星轮太阳轮花键套低速轴（Ⅰ轴）中间轴（Ⅱ轴）输出轴（Ⅲ轴）发电机传动比：r输入=27.24r/minr输出=1509r/mini总=55.40速比分配：太阳轮与主轴速比i为5.56中间轴与低速轴速比i为4.05输出轴与中间轴速比i为2.46特点：结构紧凑胀紧套的连接传递的扭矩大，低速级主轴转速低行星传动，功率分流，太阳轮浮动均载，传动平稳配对外花键加工为鼓形花键，增加太阳轮的浮动量末二级为平行轴圆柱齿轮传动，扭矩小，可合理分配减速比，提高传动效率齿轮箱拆卸方便，但要求加工精度较高西班牙TegsaPE-477B(350KW)增速箱结构图2三级圆柱齿轮传动增速箱二维结构展开简图ⅢⅡⅠⅣ图3三级圆柱齿轮传动增速箱内部轴系位置三维结构简图ⅡⅠⅣⅢ传动结构：三级平行轴圆柱齿轮传动传动过程：输入轴（Ⅰ轴）一级增速齿轮轴（Ⅱ轴）二级增速齿轮轴（Ⅲ轴）输出轴（Ⅳ轴）传动比：r输入=34r/minr输出=1512.8r/mini总=44.49速比分配：一级增速轴（Ⅱ轴）与输入轴（Ⅰ轴）速比i为3.90二级增速轴（Ⅲ轴）与一级增速轴（Ⅱ轴）速比i为3.53输出轴（Ⅳ轴）与二级增速轴（Ⅲ轴）速比i为3.23特点全部是圆柱齿轮传动，传动结构相对比较简单上下对开式结构，拆装极其方便所用轴承均为调心滚子轴承，承载能力强，可以调节同轴误差全部轴承都采用强制喷油润滑，润滑充分输出轴自带油泵，无需再配备电机齿轮相对于轴承的位置不对称，要求轴有较大的刚度体积和重量相比同等功率增速箱都要大国内（重齿FLA600、杭齿FZ646、南高齿FD600,功率645KW)增速箱结构图4两级行星机构串联轴传动增速箱结构简图ⅠⅢⅡ图5两级行星机构串联轴传动增速箱内部结构简图ⅠⅢⅡ传动结构：两级行星机构串联轴结构传递过程：主轴Ⅰ级行星架一级太阳轮Ⅱ级行星二级太阳轮串联轴Ⅲ发电机传动比：r输入=33.5r/minr输出=1517.55r/mini总=45.3特点：输入转速高结构紧凑体积是同等功率其他类型增速箱的70%，重量轻制造精度要求较高，结构复杂增速箱齿轮的设计要点1、材料的选取及热处理方式材料的选取上要对材料的弯曲疲劳强度分布进行分析，对材料强度统计其平均值和分布规律。优点：对齿轮的设计、计算可以比国家标准提供更可靠的计算数据。分析不同材料的疲劳强度分布规律对材料的选择提供依据。使材料的使用性能和所需费用达到优化。进口风电增速箱的材料与主要工艺要求名称硬度材料热处理工艺硬化层深表面粗糙度精度主轴25.542CrMo调质0.84内齿圈30-3142CrMo调质0.84行星轮6117CN5渗碳淬火1.0-1.20.84行星架24.545调质1.64太阳轮5517CN5渗碳淬火1.2-1.50.84太阳轮轴51-5217CN5渗碳淬火10.84一级主齿58.417CN5渗碳淬火10.84鼓型套HV55042CrMo调质后氮化0.30.84中间轴58.117CN5渗碳淬火0.84高速轴6017CN5渗碳淬火0.70.84中间轴齿轮55.117CN5渗碳淬火1.00.84胀紧套3740Cr调质1.64胀紧套楔块HB17540CrMo调质1.64箱体HBQT400退火1.64国产化的风电增速箱的材料及工艺要求名称材料热处理工艺表面硬度硬化层深芯部硬度精度主轴42GrMoA调质25-325内齿圈42GrMoA调质+氮化HV7000.328-386行星轮20MnCr5渗碳淬火58-621.0-1.230-385行星架45调质20-285太阳轮20CrMnTi渗碳淬火58-621.2-1.530-385太阳轮轴20CrMnMo渗碳淬火56-601.524-355一级主齿20CrMnTi渗碳淬火58-621．530-385鼓型套42GrMo调质后氮化HV5500.328-355中间轴20CrMnTi渗碳淬火56-601.228-355高速轴17CrNiMo6渗碳淬火58-621.232-425中间轴齿轮20CrMnMo渗碳淬火56-601.232-405胀紧套40Gr调质35-405胀紧套楔块40GrMo调质HB180-2805箱体QT400退火HB140-1805国产化材料的设计：尽量选用杂质含量低的钢，尽量降低钢材的含氧量，力求小于5PPm锻造工艺的控制要求晶粒度要求大于6级要有足够的锻造比，达到内部夹杂物和疏松等缺陷的大小与晶粒相当，形状不尖锐，分布不连续，尽量远离表面对于高速轴，应选用合金含量高的表面渗碳钢，控制芯部的抗拉强度及断面收缩率对轴颈过度圆角进行研磨，以提高轴齿的疲劳性能及轴颈的弯曲、扭转疲劳性能低速级模数大、直径大的齿轮，要考虑材料的淬透性和渗碳过程的抗晶界氧化和晶粒长大的能力。大齿圈国外采用ADI-1000，表面石墨球可以改善润滑条件，国产没有足够的生产能力，常采用渗碳钢，要提高润滑油粘度，保证齿面有充分的润滑我公司风电增速箱部件的选材及工艺要求名称材料热处理工艺表面硬度硬化层深芯部硬度表面粗糙度精度内齿圈42GrMoA调质HB300-3300.86GB10095行星轮17CrNiMo6渗碳+淬火+回火58-621.7-2.033-420.85GB10095太阳轮17CrNiMo6渗碳+淬火+回火58-621.7-2.033-420.85GB10095低速轴20CrMnMo调质HB300-3300.84GB10095一级主齿20CrMnMo渗碳+淬火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095鼓型套42GrMo调质HB300-3301.64GB10095中间轴20CrMnMo渗碳+淬火+回火58-621.5-1.833-420.84GB10095高速轴17CrNiMo6渗碳+淬火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095中间轴齿轮17CrNiMo6渗碳+淬火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095箱体Q235+45退火HB140-1801.65例如图7、图.8、图.9、图.10分别为20CrMnTi、20CrMnMo、20MnCr5、17CrNiMo6的弯曲疲劳强度分布图。024681012141618分布频次400-440440-480480-520520-560560-600600-640640-680680-720系列1051015202530分布频次480-520520-560560-600600-640640-680680-720720-760系列1图620CrMnTi弯曲疲劳强度分布图图720CrMnMo弯曲疲劳强度分布图0246810分布频次500-540540-580580-620≥620系列101234567分布频次520-560560-600600-640≥640系列1图820MnCr5弯曲疲劳强度分布图图917CrNiMo6弯曲疲劳强度分布图结论：从图中可以明显看出，这四种常用齿轮钢在制造大小相当的齿轮，其基本加工工艺相同的弯曲疲劳强度的低限逐步提高，高限接近（最大值均在750N/mm2附近），也就是说分布范围收窄，结合风电增速箱的参数计算，及每个齿轮的应力循环次数，在选材方面从一级主齿及低速轴大齿轮和中间轴均选用20CrMnMo，太阳轮、行星轮、中间轴上齿轮和输出齿轮轴轴选用17CrNiMo6。根据实际运行情况及损坏统计同一部件加工精度等级上要比国产化风电增速箱提高一级。风电齿轮箱的国产化主要工艺过程设计传统工艺流程:锻造正火+高温回火粗加工+去毛刺清洗渗碳淬火清理抛丸磨齿检验改进后的工艺流程:锻造正火+高温回火精度粗加工+去毛刺清洗预热处理重行奥氏体化渗碳淬火{A’M(a)}清理抛丸少余量缓进给磨齿检验对重要件改进后的工艺流程:锻造正火+高温回火粗加工+去毛刺清洗预热处理重行奥氏体化渗碳淬火清理抛丸磨齿强力抛丸微量磨削检验2、齿轮参数的设计要点1、斜齿轮受力分析·T=9549P/n1T=Ftd/2由于功率P转速n1是定值，扭矩T为定值，而d不变则Ft不变F=FncosаnFr=FnsinаnFt=FcosβFx=FsinβFr=Ftsinаn/cosаncosβ=Fttgаn/cosβ,故径向力Fr随压力角аn增大而增大。Fx=F/cosβ=Ftsinβ/cosβ=Fttgβ,故轴向力Fx随螺旋角β的增大而增大。2、设计载荷风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。按照JB/T10300标准计算确定。按照实测载荷谱计算，齿轮箱使用系数KA＝1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。3、设计要求效率：机械效率应大于97%噪声级：噪声标准为85dB（A）左右降低噪声的措施：1.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；4.安装时采取必要的减振措施。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。4、参数选择齿形角а的选择：标准齿形角20°，•采用大齿形角22.5、25、28等，可提高齿根弯曲强度（丹麦Ja-KeCS520增速箱）•采用小于20°齿形角，加大重合度，降低噪声和动载荷模数m选择：满足轮齿的弯曲强度条件下，选用较小模数可增大齿轮副的重合度，减小滑移率，减小齿轮切削量，降低制造成本。转速高的齿轮尽量减轻重量。齿数z：齿数增加和模数减小可明显提高传动质量螺旋角β：螺旋角太小，将失去斜齿轮的优点，取大值可增加重合度，使传动平稳性提高。但会增加轴向力，一般8°-15°。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，载荷分布不均现象越严重。支承对齿轮的配置Φd推荐值工作齿面的硬度一个或一对齿轮≤350两个齿轮都是＞350对称配置并靠近齿轮0.8-1.40.4-0.9非对称配置结构刚性较大时0.6-1.20.3-0.6结构刚性较小0.4-0.80.2-0.4变位系数的选取：增速箱和减速箱的变为系数选取不同，其设计宗旨是减小啮合滑移率高速齿轮由于模数较小，在设计时必须考虑在尖峰负荷下的齿面变形精度设计上，由低速到高速齿轮精度等级不低于5到4级（法拉利跑车的精度）。配对啮合的齿轮设计寿命大体相当，不能设计成“老夫少妻”型。3、轴承的设计选择轴承设计应考虑以下几个条件静态承载能力，通常考虑极限载荷；轴承的使用寿命，通常考虑额定运行载荷。极限负荷下的载荷承受能力，其安全系数不应小于2。计算的使用寿命不小于130000小时。计算时应考虑轴承的温度、润滑方式、润滑剂粘度、油膜间隙等箱体外圈内圈轴滚子端盖轴向力径向力风电齿轮箱上常采用的轴承有圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承、调心滚子轴承。图10调心滚子轴承安装结构示意图调心滚子轴承特点：•承载能力最大•补偿轴的挠曲和同轴误差图11内圈带单挡边圆柱滚子轴承结构示意图内圈带挡边圆柱滚子轴承特点：•轴承刚度好，•制作难度相对较低，•拆装方便•能够承受较大的径向•可以承受一定的轴向力端盖保持架内圈滚子外圈轴轴向力径向力4、箱体结构足够的刚性