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

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。

图12：Maag 的满载荷试验

为了满足 Maag 的规范要求,对所有的齿轮接触模式都进行了仔细的检查和确认,正如图13中第2级太阳轮所展现的那样。

图13：在功率计试验后第2级太阳轮状态

另外，由于主要润滑点都有润滑油供应，因此，温度特牲对轴承、齿轮接触和总体传动装置的影响总是可以控制的。例如，按以下方式控制轴承温度是可能的，那就是：在最高的轴承温度和其油池温度之间，在冷启动条件下，使其温差（DT）控制在15K，而在操作中，控制在7K。

同样，对噪声的传播也给予了极大的注意，因为须要证明的是：直齿行星轮传动装置也能安静地运行，这也是所有齿轮箱设计者首先必须关注的。事实上，试验证明了：噪声水平都在规定的极限值以下。试验显示出：如果所有的直齿轮的设计和安装都是正确的话，那么，它们都适用于风机齿轮箱。这一点可归因于PV齿轮箱的以下两种重要的性能：首先，两个齿圈中的任何一个齿圈都不是箱体的一个组成部分，箱体阻止了噪声向环境发出的直接的辐射。其次，集成柔性销轴承相对于箱体的柔性使齿轮接触与箱体没有刚性地接合，柔性销轴承对行星齿轮啮合点的振动起到阻尼的作用。

在奥克尼岛（Orkney Island）的现场试验

自从2004年以来，在奥克尼岛（80年代中期同样在此地，风能集团开展了相同的工程, 采用了紧凑的轨道式齿轮箱设计），第一套齿轮已经在Nordex N60中投入使用，见图14。之所以选择奥克

尼岛，是因为那里长期处于苛刻的操作条件。在此，适合于大批量风机的恒定运行是可能的，并且伴有极高的动载荷和极限载荷。在过去近5个月内，平均风速为9.2m/s，最高风速达21.5 m/s。

图14：在奥克尼岛对Nordex NO 60 1.2MW力发电机的现场试验

该齿轮箱配有一套在线的状态监视系统（CMS），如图15所示，依靠该系统相关的数据，如温度、振动量和油压，都可测量到。数据分析到目前为止还没有显示性能的改变，并且也没有出现任何即将损坏的迹象。

图15：在奥克尼岛测量温度、振动量和油压等的状态监测器

为了验证这一数据，并强化一开始关于齿轮箱可靠性的结论，在2004年8月，进行了现场试验。在这一试验中，对齿轮接触进行了外观检查，还对其接触模式进行了分析。

首先，对直齿轮传动比值进行了检验。在此，对于所有轮齿，在轮齿的全部宽度范围内，对其均匀而又光亮的接触模式进行了检查，见图16。在该图中，人们可以看到：在其承受载荷的齿轮侧面上，仍旧可辨的机加工表面光洁度非常一致。

图16：在输出端啮合处的大齿轮上，所有磨加工痕迹仍清晰可见，且表面状态极佳其次，依靠内窥镜的帮助，对高度受载的行星式二级齿轮进行了检验，见图17。在行星齿轮的全部齿宽范围内，存在着十分清洁的接触表面，没有任何磨损的迹象。机加工表面依然是完整无损，这表明：既没有任何磨损发生，也没有过载的情况出现。暗线表示表面有轻微的磨光现象。载荷模式的痕迹是勉强可以辨认的。

图17：第2级行星齿轮齿

太阳轮齿表示的结果与行星齿轮齿的表示结果一样良好，见图18。在这些接触模式中，集成式柔性销轴承的功能令人留下了非常深刻的印象。由于直齿轮和行星齿轮齿接触模式正常，齿轮齿磨损损坏应该不会出现。

图18：太阳轮齿

另外，提取了油样品。其分析结果表明：传动装置中不存在任何磨损。在现场，也对状态监测系统（CMS）的可信度进行了检验。

总之，检查并未显示出任何种类的不正常现象，并支持连续的、无限制的运行。

在德国Ihlewitz的现场试验

从2004年8月以来，在德国 Ihlewitz 已经安装了第2套齿轮箱。在此，也安装了一套状态监测系统（CMS），然而，这套状态监视系统具有扩大的监测范围。另外，对上述数据、主轴和发电机轴的扭矩都进行了记录。从这一附加的资料数据中，有关齿轮箱的刚性和动力学性能就可从中推导出来。

在2005年四月十五日，依靠内窥镜的协助，进行了外观检查。轴承和齿轮再一次被观察到处于良好状态，如图19所示。

图19a：典型的轴承滚子—原始的光洁度几乎未变

图19b：典型的轴承滚子端部—原始的磨加工痕迹依然可见

图19c：大齿轮啮合处与所有原始的光洁度依然明显

至于噪声的问题，除了说在许可范围内目前还无法对总体的一个噪声水平进行更多评述。一旦条件成熟和时间许可，综合性的噪声测定将会进行。

结论

在更加详细的载荷资料、更加精确的计算方法和制造质量改进的情况下，人们尝试考虑一个技术系统中的每一种影响。风、高压电网和装置本身的综合效应都会对齿轮箱产生十分巨大的影响，这些影响几乎不可能使装置找到其“正确的”载荷状态，并以此作为齿轮箱的设计基础。

今天，系统所需要的是：它们可以容许其误差和波动在宽广区域的操作范围内存在，而不会使部件损坏，也不会接着发生达到过早失效程度的危险。在开发Maag风电齿轮箱的过程中，需要强调的是：无需过多地、单独地尝试和考虑每一种影响，关键在于开发的齿轮箱在低应力状态下，能容许存在一组多样的载荷条件，并且可靠性增强。而本文提出的齿轮箱概念能实现这一目标，其可靠性和性能已在本文所述的两套原始的装置上得到了有效的体现。