大功率齒輪箱背靠背-機械封閉式試驗臺

楊 進

(武漢云鶴齒輪傳動有限公司， 湖北 武漢 430074)

風力發(fā)電機組主要包括以下幾個部分：增速齒輪箱、發(fā)電機組、葉片、塔基和變電站等．目前，我國生產(chǎn)最多的是帶增速齒輪箱的風力發(fā)電機組，且有向大功率發(fā)展的趨勢．這種風力發(fā)電機組具有技術(shù)復雜、運行可靠、使用壽命長的特點，因此對各組成部分的零部件的精度、功能要求高．武漢云鶴齒輪傳動有限公司(以下簡稱“云鶴齒輪”)是生產(chǎn)大功率風電齒輪箱的專業(yè)生產(chǎn)廠家， 擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的1.0 MW系列齒輪箱以及引進國外Orbital2技術(shù)的2.0 MW系列齒輪箱，產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性和高耐用度．齒輪箱是風力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件之一，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到整機可靠性和使用壽命．每臺交付裝機的齒輪箱都必須進行臺架試驗，以檢驗其性能和質(zhì)量．云鶴齒輪引進Orbital2技術(shù)，開發(fā)研制了3.6 MW大功率齒輪箱背靠背-機械封閉式試驗臺，為風力發(fā)電及工業(yè)用齒輪箱提升制造、試驗水平奠定了基礎(chǔ)．

1 試驗臺的總體結(jié)構(gòu)及原理

適用于大功率齒輪箱的背靠背-機械封閉式試驗臺，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．該試驗臺系統(tǒng)主要有驅(qū)動直流電機與相應(yīng)的控制系統(tǒng)、陪試齒輪箱、扭力傳感器、傳動軸、加載裝置、測試齒輪箱、總控臺等幾部分組成．為滿足振動、噪聲及油溫測定的要求，另配有測振儀、精密聲級計及測溫裝置等．

1-驅(qū)動電機；2-電機聯(lián)軸器；3-傳動箱1；4，10，11，18-聯(lián)軸器；5-陪試齒輪箱；6，9-傳動軸；7-測試齒輪箱；8-齒輪箱支座；12-傳動箱2；13-傳動箱支座；14，19-扭力傳感器支座；15-齒輪箱底座；16-聯(lián)軸器底座；17-聯(lián)軸器支架；20-傳動箱底座圖 1 背靠背-機械封閉式試驗臺總體結(jié)構(gòu)

試驗時，測試齒輪箱與陪試齒輪箱背靠背串聯(lián)于試驗臺的封閉傳動鏈中；主電機驅(qū)動試驗臺運轉(zhuǎn)，并可按要求調(diào)整其驅(qū)動轉(zhuǎn)速；兩個傳動箱均采用兩級變速，且傳動比為1，其目的是連接陪試和測試齒輪箱，使整個傳動鏈封閉起來；加載裝置采用液壓加載器，通過對陪試齒輪箱進行加載，形成封閉功率流中的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生所謂的“封閉功率”，借此也實現(xiàn)對測試齒輪箱的加載；驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)時所提供的功率僅僅是試驗臺系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時所消耗的功率，即用較小的驅(qū)動功率就可實現(xiàn)很大功率齒輪箱的試驗．試驗臺的加載在靜態(tài)、動態(tài)下均可進行，且可隨時加載卸載．試驗過程中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率等通過扭力傳感器傳輸總控臺，顯示并記錄．

2 試驗臺的基本參數(shù)

目前，云鶴齒輪研制的該類型試驗臺是針對2.0 MW風電齒輪箱而選取的相應(yīng)配套設(shè)備．

2.1 總體參數(shù)

測試齒輪箱的類型：W2000DF；類型：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；適應(yīng)氣候：寒冷、常溫、炎熱；額定功率：2 000 kW；額定速度： 1 800 r/min；最高試驗速度：2 340 r/min；最大負載轉(zhuǎn)矩： 1 380 kNm[1]．

2.2 傳動箱參數(shù)

額定功率(通過齒輪軸輸出)3.6 MW;公稱轉(zhuǎn)矩(通過齒輪軸輸出)33 505 Nm;額定速度(通過齒輪軸輸出)1 800 r/min;最大速度(通過齒輪軸輸出)2 500 r/min;總比(通過輸出軸齒輪)1∶1;傳動比(電機驅(qū)動軸和輸出軸)1 385;公稱轉(zhuǎn)矩(通過傳動軸)5 635.8 Nm；油型和油量:美孚600 XP 220，550L/臺；變速箱的重量(油)約11 200 kg/臺；使用壽命5 000 h．

2.3 試驗臺總體尺寸和重量

長度17 m；寬度35 m；高度4.050 m；重量(無測試齒輪箱，電馬達)485 t．

3 主要技術(shù)特點

3.1 經(jīng)濟性

齒輪試驗裝置根據(jù)功率流的情況，可分為功率開放型齒輪試驗臺和功率封閉式齒輪試驗臺．與開放式相比，機械封閉功率流試驗臺的驅(qū)動電機的功率只需要補償試驗過程中克服摩擦阻力所帶來的功率損失，因而可以節(jié)省動力消耗[2]．通過試驗的運轉(zhuǎn)情況來看，本試驗臺較開放式的試驗臺估計節(jié)能80%左右．另外整個系統(tǒng)中不再需要將機械能轉(zhuǎn)化為熱能的耗能裝置，這樣可以節(jié)省或簡化冷卻設(shè)備．這點對齒輪傳動運轉(zhuǎn)試驗有著重要的經(jīng)濟意義．

3.2 通用性

現(xiàn)有機械封閉式齒輪試驗臺主要針對特定中心距齒輪箱，如果試驗齒輪箱中心距改變了，則需要把試驗臺相關(guān)試驗設(shè)備拆下，重新定位安裝，費時費力，很不方便．因此，本試驗臺在傳統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改進，將整個試驗臺設(shè)計分為兩部分，一部分置于地基平板上，屬于固定部分，一部分置于支座上，屬于可移動部分，這樣通過調(diào)整支架以上部分的位置便可以實現(xiàn)試驗中心距的可調(diào)．針對不同中心距的齒輪箱或齒輪機構(gòu)，不僅能夠進行齒輪傳動效率以及疲勞壽命試驗，而且調(diào)整準確快速，非常方便，適用面廣．

3.3 多工況模擬

以往的齒輪箱性能試驗臺一般都是針對某一特定的被試齒輪箱來進行設(shè)計，工況明確，且負荷特性單一．而本試驗臺除風電用齒輪箱外，還能夠完成多種不同型號、不同負荷特性齒輪箱的性能試驗．在系統(tǒng)研制過程中采取了自適應(yīng)變參數(shù)控制的方法，通過對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速以及液壓加載裝置壓力的調(diào)整，可以實現(xiàn)功率范圍內(nèi)的所有工況，甚至能夠滿足超速、超載的特殊工況要求．因此，本試驗臺很好地解決了多種齒輪箱或多種工況在同一試驗臺上進行試驗的難題．

4 結(jié)束語

大功率齒輪箱機械封閉式試驗臺的主要功能，是采用電機驅(qū)動和液壓加載的形式使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大的傳動功率，依據(jù)控制指令，提供需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，且只需要較小的驅(qū)動功率即可產(chǎn)生較大的試驗功率，同時可對相關(guān)信號進行采集、記錄和處理．在齒輪箱臺架試驗中，該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩模擬的是齒輪箱的驅(qū)動源或負載，同樣，該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩也可用來模擬諸如柴油機、發(fā)電機、電動機的負載等，即該類試驗臺可以應(yīng)用于所有大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的性能試驗，甚至經(jīng)過相應(yīng)改造還可用于變頻器等電氣傳動設(shè)備的性能試驗．

[參考文獻]

[1] Orbital2. Test rig 2MW for testing of W2000 gearboxes Design of selected components up to 3.6MW[M].England:[s.n.],2012．

[2] 姜永利，周凌輝. 大功率風力發(fā)電機增速齒輪箱性能試驗臺研制總結(jié)[J]．數(shù)控機床市場,2011(2): 54-56.