系列立式水泵齒輪箱及可控啟動(dòng)的開發(fā)研究

黃洪華 楊球來

(上海ABB動(dòng)力傳動(dòng)有限公司， 上海 201613)

0 引言

大功率低速立式泵在各行業(yè)應(yīng)用比較普遍，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的液態(tài)輸送及控制，最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)的排放和流動(dòng)。在常見的防洪、污水處理、電廠及核電、海水淡化和水利灌溉等應(yīng)用中，通常使用多極電機(jī)直驅(qū)水泵或者采用臥式電機(jī)和直角齒輪箱組合的型式，具有體積龐大、成本高企、電機(jī)效率及功率因數(shù)低等弊端[1]。ABB-DODGE開發(fā)了立式人字齒行星齒輪箱VGM，將標(biāo)準(zhǔn)極數(shù)電機(jī)安裝在行星齒輪箱上，通過齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)水泵葉輪，具有高效可靠、體積小重量輕及高性價(jià)比等特性。CST (可控啟動(dòng)傳輸) 技術(shù)在該立式齒輪箱上的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載啟動(dòng)，并避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，此外還具有過載保護(hù)作用。尤其是CST的可控啟動(dòng)和停車技術(shù)，可以極大的避免水錘效應(yīng)對(duì)水泵機(jī)械結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)的損傷。

1 水泵齒輪箱的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1概況

此系列立式行星齒輪箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低，并可承擔(dān)水泵軸向推力、無泄漏干井密封等特點(diǎn)。

含濕式離合器的立式齒輪箱除了具有上述特點(diǎn)外，還增加了輸出轉(zhuǎn)速可控特性，使得啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按順序空載啟動(dòng)，水泵啟動(dòng)加速度可控，電機(jī)沖擊電流非常小。

1.2結(jié)構(gòu)簡介

VGM系列齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，輸入太陽輪和輸出軸同心布置：太陽輪 (1) 采用人字形齒輪驅(qū)動(dòng)行星輪(2)，行星輪內(nèi)部采用雙圓柱滾子軸承 (3) 支承，并通過圓柱銷固定在輸出行星架 (4) 上。齒圈(5)設(shè)計(jì)為浮動(dòng)三層式設(shè)計(jì)，上層為制動(dòng)齒圈，中間為過渡齒圈套，在齒圈套和行星輪之間的齒圈為分離式雙片設(shè)計(jì)。離合器座(6) 緊固安裝在頂面法蘭板上。動(dòng)摩擦片(7)花鍵安裝在外齒圈上，靜摩擦片花鍵安裝在離合器座。離合器活塞加壓向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)靜摩擦片在其各自的花鍵上移動(dòng)并壓緊，從而在摩擦片之間形成油膜，依靠PLC控制液壓系統(tǒng)模塊，從而控制活塞行程進(jìn)而控制摩擦片油膜厚度來控制齒圈的轉(zhuǎn)速。液壓模塊如圖2所示，當(dāng)加在齒圈上的力矩逐漸增加，齒圈的轉(zhuǎn)速以可控斜率下降時(shí)，行星架由行星輪及齒圈帶動(dòng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸的轉(zhuǎn)速與齒圈的轉(zhuǎn)速成反比。當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速降為零時(shí)，輸出軸將達(dá)到正常的額定轉(zhuǎn)速。

圖1 VGM 立式齒輪箱含離合器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure of VGM with clutch

圖2 齒輪箱潤滑和冷卻系統(tǒng)Fig.2 Oil lubricating and cooling system of gear box

同時(shí)考慮到主電機(jī)不能承擔(dān)軸向力，本系列齒輪箱設(shè)計(jì)了止推軸承加圓錐滾子組合模式來吸收水泵的自重及工作時(shí)產(chǎn)生的軸向推力。

采用雙電機(jī)齒輪泵冗余設(shè)計(jì)對(duì)離合器和齒輪箱進(jìn)行冷卻，防止任何因電機(jī)或者齒輪泵損壞而影響整機(jī)的冷卻，增加整機(jī)的可靠性。

1.3主要參數(shù)

本系列齒輪箱的齒輪設(shè)計(jì)按照AGMA和ABB-DODGE內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，參照標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AGMA 2015-1-A01:2001，精度等級(jí)不低于A6。為了提高齒輪的承載能力，采用KISSSOFT/KISSSYS對(duì)齒輪的幾何參數(shù)和變位系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，同時(shí)采用ANSYS對(duì)齒輪和齒圈的局部應(yīng)力進(jìn)行有限元分析。綜合考慮了整個(gè)齒輪傳動(dòng)鏈的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，采用帶凸臺(tái)的全圓弧滾刀切齒，同時(shí)優(yōu)化了滾刀的參數(shù)及留磨量的控制，以保證齒輪的可靠性。

齒輪副根據(jù)齒輪在局部載荷作用下的彈性變形，采用了齒向及齒形修形磨齒工藝，如圖3所示。尤其是對(duì)太陽輪采用導(dǎo)程修形，對(duì)行星輪采用鼓形修形及對(duì)齒輪齒頂齒根修形的組合修形，極大的改善了齒輪單位載荷，降低偏載。雙斜齒輪也采用了修形，減少了齒輪間相互嚙合時(shí)的交替沖擊，防止齒頂齒根的干涉，降低了齒輪噪聲和振動(dòng)，如圖4所示。表1為某型號(hào)行星齒輪副參數(shù)列表，列表數(shù)據(jù)來源美國研發(fā)中心。

序號(hào)參數(shù)代碼數(shù)值單位1功率P8260Kw@SF1.0KW2輸入轉(zhuǎn)速Na1500RPM3輸出轉(zhuǎn)速Nz170.45RPM4速比I8.85輸出扭矩T463000Nm6模數(shù)Mn97螺旋角β30DEG8壓力角αn25DEG9人字齒寬B100/100mm10中心距A343.865mm11太陽輪Zs1512行星輪Zp5013齒圈Zr11714軸向載荷F100000kg

此系列齒輪箱功率覆蓋600～22000Kw，輸出轉(zhuǎn)速100～500RPM，額定扭矩可高達(dá)790000Nm，可承擔(dān)軸向載荷達(dá)到145000Kg(1420000N)。

1.4離合器設(shè)計(jì)

VGM齒輪箱離合器采用了CST的成熟技術(shù)。ABB-DODGE自1970年以來開發(fā)的CST一直用于散料輸送并在中國的礦山市場占有率排名前列，尤其是大功率防爆煤礦市場占有率排名第一。

VGM齒輪箱濕式多片離合器結(jié)構(gòu)，如圖5，動(dòng)摩擦片通過花鍵固定在齒圈，靜摩擦片通過花鍵固定在離合器座上，活塞在高壓油和返回彈簧的作用下往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦片行程和油膜厚度的控制。濕式離合器具有以下特點(diǎn)：

1. 工作性能穩(wěn)定可靠；

2. 接排平穩(wěn)；

3. 可以吸振和降低沖擊，避免水泵沖擊振動(dòng)，保護(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

4. 采用PLC閉環(huán)控制，0～300s啟動(dòng)和停止可控。

濕式離合器結(jié)構(gòu)如圖5所示，其接排按照承載扭矩和時(shí)間的關(guān)系通常分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段是擠壓階段，動(dòng)靜摩擦片之間充滿了潤滑油，潤滑油的形態(tài)為流體狀態(tài)；第二階段為接排工作狀態(tài)，潤滑油形成剪切油膜狀態(tài)，承載扭矩，第三階段為分離階段，潤滑油重新恢復(fù)到流體狀態(tài)。第一、第三階段相對(duì)比較簡單，國內(nèi)外研究的論文也較多，這里不多詳述。而對(duì)于第二階段，在動(dòng)靜摩擦片的逐步接近過程中，潤滑油不斷的從摩擦片的縫隙擠出，油膜的厚度h0也隨之減薄。其簡化計(jì)算模型參見公式1：

(1)

其中：T為離合器摩察扭矩；Ro為摩擦片外徑；Ri為摩擦片內(nèi)徑；ho為油膜厚度；η為效率；ω為角速度；

可見如何控制油膜的厚度是至關(guān)重要的，但是僅依靠機(jī)械控制方式來控制行程是極其困難的，而且對(duì)離合器來說最重要的是控制其輸出扭矩，這里引入了PID控制回路。

1. 啟動(dòng)狀態(tài)，操作人員發(fā)出“啟動(dòng)”指令，PLC控制程序依次啟動(dòng)冷卻泵電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)及主電機(jī)。PID設(shè)定逐步達(dá)到預(yù)壓值5～10%，離合器活塞逐步壓緊摩擦片，油膜形成。

2. 加速和工作狀態(tài)，VGM離合器嚙合達(dá)到預(yù)壓后，PID持續(xù)加壓直到速度傳感器監(jiān)測到數(shù)值，這時(shí)PID切換到速度PID按照所需要設(shè)定的”S”曲線或者拋物線運(yùn)行，達(dá)到慢速啟動(dòng)，并按既定的加速度達(dá)到滿速運(yùn)行。

3. 停車狀態(tài)，在接到停機(jī)或者故障指令后，PID可以按設(shè)定曲線停車，停車時(shí)間不小于自由停車時(shí)間。

由于水體流動(dòng)為連續(xù)狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)其可控啟動(dòng)和停車對(duì)大功率水泵是非常有益的，可以避免水流的突然變化對(duì)管道的沖擊和水錘效應(yīng)。

1.5齒輪熱處理要求

齒輪的材料和熱處理是決定其承載能力和壽命的關(guān)鍵因素。本系列水泵齒輪箱的太陽輪和行星輪采用了優(yōu)質(zhì)合金鋼ANSI 4320，滲碳淬火，表面硬度HRC58～62；齒圈采用ANSI 4340整體高調(diào)BHN300～340，材料要求均滿足ANSI/AGMA2001等級(jí)2規(guī)范。熱處理及磨削必須滿足DODGE企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，用于控制齒輪材料的純凈度，齒面碳含量和分布，硬度梯度降及有效硬化層深度和金相組織，以保證齒輪的性能[2]。

1.6潤滑及冷卻系統(tǒng)

對(duì)于齒輪傳動(dòng)裝置而言，潤滑和冷卻系統(tǒng)必不可少。VGM齒輪箱箱體下部作為油箱，油位可浸沒止推軸承但是低于干井密封罩的頂部。行星齒輪副采用強(qiáng)制潤滑。常規(guī)低速重載齒輪箱一般采用粘度大，極壓抗磨性較好的潤滑油。由于本齒輪箱含有離合器，必須兼顧潤滑油的冷卻效果及控制閥的可操作性，因此帶離合器的齒輪箱選擇在此油位內(nèi)灌注美孚424，無離合器的類型可采用常規(guī)潤滑油。

為了提高冷卻系統(tǒng)及整機(jī)可靠性，同時(shí)也便于檢修故障，VGM齒輪箱箱體底部安裝有兩互鎖的齒輪泵，采用膜片壓力開關(guān)，單刀雙擲，有兩個(gè)設(shè)定值分別對(duì)應(yīng)一組常開/常閉觸點(diǎn)，低于或者高于設(shè)定值開關(guān)動(dòng)作。主泵工作時(shí)，在3～5s內(nèi)監(jiān)測傳感器是否達(dá)到壓力設(shè)定值0.69MPa，兩互鎖油路的任何一個(gè)傳感器監(jiān)測壓力值低于設(shè)定值，關(guān)閉主泵并切換至備用主泵。

2 齒輪箱試驗(yàn)

VGM齒輪箱樣機(jī)在美國Greenville的DODGE先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室樹立通過性能及負(fù)荷試驗(yàn)，如圖6所示。試驗(yàn)包括離合器的性能試驗(yàn)、行星齒輪副的機(jī)械效率、齒輪箱的試驗(yàn)拆檢等。

圖6 VGM臺(tái)位測試圖Fig.6 Testing platform of VGM

3 應(yīng)用及前景

現(xiàn)有大型水泵大多數(shù)采用低速多極數(shù)同步電機(jī)或者感應(yīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的形式[3]。眾所周知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)數(shù)取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，參見表2，這樣使得水泵無法得到最佳效率工作點(diǎn)(BEP)所要求的轉(zhuǎn)速。VGM這種采用電機(jī)加行星齒輪箱的形式就容易得到更多的轉(zhuǎn)數(shù)組合，甚至可以根據(jù)水泵設(shè)計(jì)人員所要求的轉(zhuǎn)速配置精準(zhǔn)的電機(jī)和齒輪箱速比，使得水泵的效率大為提高，而不受電機(jī)極數(shù)的限制，同時(shí)因水泵工作在最佳效率點(diǎn)，改善了水泵軸承和油封的工作狀況，提高了壽命，避免了遠(yuǎn)離BEP點(diǎn)而導(dǎo)致水泵機(jī)械加速損壞的后果。而且由于采用了少極數(shù)電機(jī)，功率因數(shù)也提高了2%，整體設(shè)備效率及可靠性都大為提高。

表2 不同頻率下電機(jī)極數(shù)和轉(zhuǎn)速對(duì)照表

相對(duì)于同步電機(jī)或者感應(yīng)電機(jī)，使用VGM齒輪箱成本要下降15～30%，相同水泵功率情況下整機(jī)尺寸也可以縮小20～30%。

4 總結(jié)

本文介紹了VGM系列立式齒輪箱帶離合器軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，并對(duì)齒輪箱所用的行星人字齒、濕式離合器、潤滑及冷卻系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行了闡述。簡單介紹了此系列齒輪箱在水利水電，核電行業(yè)的應(yīng)用前景。我國已建大中型泵站在2004年就達(dá)到5500余座，規(guī)模已居世界第一，但已建泵站存在主電機(jī)型式及傳動(dòng)方式單一的問題[4]。新的VGM電機(jī)和齒輪箱一體解決方案的出現(xiàn)，并已在相關(guān)行業(yè)得到成功應(yīng)用及驗(yàn)證，這將對(duì)于我國大中型泵站在設(shè)計(jì)建設(shè)和改造中吸收新型電機(jī)和新型傳動(dòng)方式等技術(shù)，有很好的借鑒意義，對(duì)于提高泵站的技術(shù)水平、運(yùn)行效率和可靠性，并減少投資等也將得于提升，應(yīng)大力推廣。

[1] 盧濟(jì)武，低速大轉(zhuǎn)矩行星齒輪減速器設(shè)計(jì)研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1995(4)：15-17.

[2] 顧海港，林勇剛，大功率船用齒輪箱開發(fā)設(shè)計(jì) 《傳動(dòng)技術(shù)》，2008(9)：Vol.22 No.3.

[3] 古智生，呂建新，帶行星齒輪的大型潛水電泵研制與應(yīng)用 《全國大型泵站更新改造研討會(huì)》，2009.

[4] 莫岳平，黃海田等，王樹人大中型泵站主電機(jī)及傳動(dòng)型式選擇《南 水 北 調(diào) 與 水 利 科 技》第11卷第3期.