風(fēng)電增速器封閉式行星傳動(dòng)功率分流原理分析

蔣克勤

摘 要：將封閉式行星傳動(dòng)功率分流原理應(yīng)用于風(fēng)電減速器，可有效提高齒輪箱的扭矩質(zhì)量比，減少風(fēng)電機(jī)塔頭的質(zhì)量。因此，介紹了封閉式行星輪系的功率分流原理，分析了一種在國外已被成熟應(yīng)用的功率分流式風(fēng)電增速器，并展望了功率分流技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：封閉式行星傳動(dòng)輪系；功率分流；傳動(dòng)效率；扭矩質(zhì)量比

中圖分類號(hào)：TH132.425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.066

風(fēng)能作為一種取之不盡的清潔能源，早已得到了世界各國的開發(fā)利用，各國爭(zhēng)相建造了風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量紀(jì)錄也在不斷被刷新。在此情況下，大功率風(fēng)電機(jī)不斷涌現(xiàn)，大功率增速齒輪箱也隨之應(yīng)運(yùn)而生。然而，隨著功率的提高，齒輪箱的質(zhì)量也在增大。因此，如何有效提高齒輪箱的扭矩質(zhì)量比，減少風(fēng)電機(jī)塔頭的質(zhì)量，并提高齒輪箱的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，成為了各國風(fēng)電廠商競(jìng)相追逐的目標(biāo)。在增速齒輪箱上采用功率分流技術(shù)，即解決上述問題最有效的方法之一。

1 封閉式行星傳動(dòng)的功率分流原理

采用普通定軸齒輪傳動(dòng)或簡(jiǎn)單的行星齒輪傳動(dòng)封閉連接一個(gè)具有兩個(gè)自由度的差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)成只有一個(gè)自由度的行星輪系，即封閉式行星傳動(dòng)。封閉式行星齒輪傳動(dòng)的效率不僅與基本構(gòu)件中的輸入件和輸出件有關(guān)，還與其傳動(dòng)比、符號(hào)有關(guān)。具體而言，傳動(dòng)效率值與其功率流的方向有關(guān)，而功率流的方向又取決于傳動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)狀況等。通常而言，將封閉行星齒輪傳動(dòng)中的差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)稱為原始機(jī)構(gòu)，而將其中起封閉作用的普通定軸齒輪傳動(dòng)或簡(jiǎn)單的行星齒輪傳動(dòng)稱為封閉機(jī)構(gòu)。封閉機(jī)構(gòu)與原始機(jī)構(gòu)的連接方法通常有兩種，即用連接機(jī)構(gòu)連接兩個(gè)中心輪、用連接機(jī)構(gòu)連接行星架與中心輪。

如果封閉式行星輪系選擇不當(dāng)，則可能會(huì)引發(fā)封閉功率流。當(dāng)機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流時(shí)，會(huì)大幅度降低輪系的傳動(dòng)效率，使軸承和齒輪的磨損加劇。在實(shí)際使用中，應(yīng)避免上述情況出現(xiàn)。以下具體分析4種封閉式行星傳動(dòng)的功率分流情況。

在以下分析中定義：

. （1）

1.1 第一種封閉式行星輪系

第一種封閉式行星輪系如圖1所示。

圖1中，用封閉機(jī)構(gòu)k將差動(dòng)輪系中的a與b連接起來，構(gòu)成一個(gè)封閉式行星傳動(dòng)輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸。進(jìn)入輸入軸的功率流P1在封閉機(jī)構(gòu)k的作用下分成兩路，一路流經(jīng)a，另一路流經(jīng)b，并最終在行星架H處匯合。其傳動(dòng)比的計(jì)算式為：

. （2）

太陽輪和內(nèi)齒圈的功率分別為：

Pa=Taωa. （3）

Pb=Tbωb=PTa . （4）

“1”軸的輸入功率為：

. （5）

行星架的輸出功率為：

. （6）

當(dāng)i12>0時(shí)，太陽輪與內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)向相同，機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率，輸出功率等于輸入功率；當(dāng)-p

1.2 第二種封閉式行星輪系

第二種封閉式行星輪系如圖2所示。

圖1 第一種封閉式行星輪系 圖2 第二種封閉式行星傳動(dòng)輪系

圖2中，用封閉機(jī)構(gòu)k將差動(dòng)輪系中的b與H連接起來，構(gòu)成一個(gè)封閉式行星傳動(dòng)輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進(jìn)入輸入軸的功率流P1經(jīng)原始機(jī)構(gòu)分成兩路，一路從a流經(jīng)b再經(jīng)過封閉機(jī)構(gòu)k，另一路從a流經(jīng)行星架H，兩路最終在輸出軸處匯合。其傳動(dòng)比的計(jì)算式為：

=1+p（1-ib2）. （7）

內(nèi)齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （8）

. （9）

已知軸1的輸入功率P1=Taωa，當(dāng)ib2>1+ 時(shí)，1+p（1-ib2）

<0，Pb<0，PH>0，則P2=|Pb|-|PH|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，

PH為封閉功率；當(dāng)00，Pb>0，

PH<0，則P2=|PH|-|Pb|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，Pb為封閉功率；當(dāng)ib2<0時(shí)，1+p（1-ib2）>0，Pb<0，PH<0，機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率流，輸出功率數(shù)值等于輸入功率；當(dāng)ib2=1+

時(shí)， =1，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為1，不存在封閉功率流。

1.3 第三種封閉式行星傳動(dòng)輪系

第三種封閉式行星傳動(dòng)輪系如圖3所示。

圖3中，用封閉機(jī)構(gòu)k將差動(dòng)輪系中的b與H連接起來，構(gòu)成一個(gè)封閉式行星傳動(dòng)輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進(jìn)入輸入軸的功率流P1經(jīng)原始機(jī)構(gòu)分成兩路，一路流經(jīng)a，另一路流經(jīng)b，并最終在行星架H處匯合。其傳動(dòng)比的計(jì)算式為：

=iH2（1+p）-p. （10）

內(nèi)齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （11）

. （12）

已知軸1的輸入功率P1=Taωa，當(dāng)ib2> 時(shí)，iH2（1+p）

-p>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率

流，Pb為封閉功率；當(dāng)0

Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當(dāng)ib2<0時(shí)，iH2（1+p）-p<0，Pb<0，PH<0，

機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率流，輸出功率數(shù)值等于輸入功率；當(dāng)ib2

= 時(shí)， =0，機(jī)構(gòu)無法傳動(dòng)。

1.4 第四種封閉式行星傳動(dòng)輪系

第四種封閉式行星傳動(dòng)輪系如圖4所示。

圖3 封閉式行星傳動(dòng)輪系 圖4 第四種封閉式行星傳動(dòng)輪系

圖4中，用封閉機(jī)構(gòu)k將差動(dòng)輪系中的b與H連接起來，構(gòu)成一個(gè)封閉式行星傳動(dòng)輪系。在此輪系中，“1”為輸入軸，“2”為輸出軸，進(jìn)入輸入軸的功率流P1經(jīng)原始機(jī)構(gòu)分成兩路，一路流經(jīng)a和b，另一路從a流經(jīng)行星架H，最終兩路在封閉機(jī)構(gòu)k處匯合后輸出。根據(jù)疊加原理可知，其傳動(dòng)比的計(jì)算式為b路傳動(dòng)比+H路傳動(dòng)比：

=iH2（1+p）-pib2. （13）

內(nèi)齒輪和行星架傳遞的功率分別為：

. （14）

. （15）

. （16）

當(dāng)iH2>0，ib2<0時(shí)，iH2（1+p）-pib2>0，Pb<0，PH<0，機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率流，輸出功率數(shù)值等于輸入功率；當(dāng)iH2<0，ib2>0時(shí)，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH<0，機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率流，輸出功率數(shù)值等于輸入功率，即iH2與ib2

異號(hào)時(shí)，機(jī)構(gòu)中不存在封閉功率流；當(dāng)iH2>0，ib2>0且

時(shí)，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2=|PH|-|Pb|，機(jī)

構(gòu)中存在封閉功率流，Pb為封閉功率；當(dāng)iH2>0，ib2>0且

時(shí)，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|-|PH|，

機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當(dāng)iH2<0，ib2<0且

時(shí)，iH2（1+p）-pib2<0，Pb<0，PH>0，P2=|Pb|

-|PH|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，PH為封閉功率；當(dāng)iH2>0，ib2

<0且 時(shí)，iH2（1+p）-pib2>0，Pb>0，PH<0，P2

=|PH|-|Pb|，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流，Pb為封閉功率，即當(dāng)iH2與ib2同號(hào)時(shí)，機(jī)構(gòu)中存在封閉功率流。

2 某種風(fēng)電機(jī)增速器的實(shí)際應(yīng)用分析

該封閉式行星傳動(dòng)由第一級(jí)差動(dòng)行星、第二級(jí)定軸準(zhǔn)行星和第三級(jí)NGW行星連接封閉而成，屬于上述圖4中的情形。其行星機(jī)構(gòu)基本方程組如圖5所示。

圖5 行星機(jī)構(gòu)基本方程組

則：

. （17）

在每一級(jí)中均應(yīng)用上述方程組，輸入P入=Taωa>0，輸出P出=Tbωb<0；P出=THωH<0，由此推導(dǎo)出第一級(jí)行星架的傳遞功率為：

. （18）

第一級(jí)內(nèi)齒圈的傳遞功率為：

. （19）

其功率分流的組合方式框圖如圖6所示。

圖6 功率分流的組合方式框圖

由圖6可看出，功率從低速級(jí)的行星架輸入后分為兩路：一路通過低速級(jí)的太陽輪直接傳送到高速級(jí)行星架；另一路通過與低速級(jí)行星架相連的中間級(jí)內(nèi)齒圈，并經(jīng)過中間級(jí)定軸傳動(dòng)傳到與中間級(jí)太陽輪相連的高速級(jí)內(nèi)齒圈。兩路功率流最終在高速級(jí)差動(dòng)行星輪系中匯合，并通過高速級(jí)的太陽輪輸出。