偏航變槳減速器輕量化設計思路

王林焱， 馬文廣， 馬海波， 李忠強， 張 聰， 任世文

（銀川威力傳動技術(shù)股份有限公司， 寧夏 銀川 750000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟規(guī)模的不斷發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的加速，我國用電量持續(xù)穩(wěn)定高速增長，電能替代的建設也受到政府的大力支持，發(fā)展風力發(fā)電是大勢所趨。近幾年來我國風電裝機總?cè)萘坎粩囡j升， 但是隨著電價補貼力度減小，各風電主機廠家考慮降低風機制造成本。 偏航、變槳減速器是風力發(fā)電機組的重要構(gòu)件， 亟需解決 “大而笨”的根本問題。

1 偏航變槳減速器工作原理及結(jié)構(gòu)特點

偏航變槳減速器主要在風力發(fā)電機上起到 “降速增扭，調(diào)角度定方向”的作用。 變槳減速器被安裝在葉片輪轂上，風機需要變槳是，減速器輸出小齒輪帶動葉片輪轂大齒圈，從而使得葉片迎風角度發(fā)生變化，從而獲得足夠的動力轉(zhuǎn)矩。 當風力過大時，變槳減速器可再次調(diào)整葉片迎風角度，減小迎風面積，避免風機超速失速；偏航減速器一般和風機控制系統(tǒng)配合使用，盡可能的使得在一定風速范圍內(nèi)，風機一直處于向風狀態(tài)，能夠高效率的發(fā)電。 當風力過大時，偏航減速器可固定靜止，配合風機上剎車鉗起到剎車固定的作用，保證風機安全。 工作原理圖見圖1。

圖1 偏航變槳減速器工作原理圖

偏航變槳減速器結(jié)構(gòu)特點： 因風力發(fā)電機艙內(nèi)空間有限，承受載荷極大，工作環(huán)境惡劣，風力發(fā)電偏航、變槳減速器一般采用多級行星齒輪傳動，其具備傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，功率可分流、傳動效率高等優(yōu)點。

2 偏航變槳減速器輕量化設計

偏航變槳減速器輕量化設計需要從多個方面綜合考慮，本文主要以如下幾個方面進行介紹。

2.1 增加行星齒輪個數(shù)

通常為了保證較大的傳動比， 偏航減速器一般設計4-5 級行星齒輪傳動，減速器從輸入端至輸出端沿縱向軸線傳遞扭矩，導致整機冗長，零件數(shù)量繁多，增加整機重量。隨著機械加工精度的提高，行星輪的個數(shù)由之前的3 個增加至4 個，甚至6、7 個[1]。 增加行星輪個數(shù)可以增加齒輪承載能力 （相同齒寬下）， 但是根據(jù)GL 2010 7.4.5.2.3 載荷分布系數(shù)Kγ（用于計算載荷分布中的偏差）中，取值見表1，一般也可根據(jù)減速器制造廠制造水平和以往經(jīng)驗進行給定。當行星輪數(shù)量增加時，會占用行星架加筋位置，可能削弱行星架強度，需要進一步進行強度校驗。

圖2 減速器傳動示意圖

2.2 通過均載浮動機構(gòu)實現(xiàn)功率分流

一般是通過均載浮動機構(gòu)來使每個級的傳動齒輪承受不同的摩擦和作用力，這種情況下，可以在其具有一定自由度的范圍內(nèi)對其進行相應的自動調(diào)節(jié)，見圖3，因偏航變槳減速器成本控制， 最簡單的分流方式才是最實際的，多數(shù)使用太陽輪和行星架浮動的均載分流機構(gòu)[2]。 通過實際驗證，太陽輪浮動均載機構(gòu)分流效果明顯，很少出現(xiàn)齒輪偏載情況。

表1 載荷分布系數(shù)Kγ 取值

圖3 太陽輪浮動機構(gòu)

2.3 通過齒輪修形提高齒輪承載能力

齒輪在加載受力嚙合時，齒面會發(fā)生微觀形變，嚴重時齒面會產(chǎn)生低點，驗證影響齒輪接觸強度。通過齒輪修形，使得齒面載荷對中分布，減輕齒輪偏載的現(xiàn)象，降低傳遞誤差，降低齒輪嘯叫。 齒輪修形，往往需要通過參數(shù)的反復調(diào)整以及修形經(jīng)驗，獲得一套最優(yōu)的設計方案以提高齒輪承載能力。評價齒輪修形效果，必須在齒輪加載狀態(tài)下。 最佳狀態(tài)為嚙合區(qū)域位于齒面中間，呈橢圓形狀。

基于Kisssoft 進行齒輪設計優(yōu)化， 調(diào)整相關經(jīng)驗參數(shù)，使得齒輪嚙合更加平緩，避免嚙合沖擊[3]，見圖4，通過齒廓修形，使得齒廓弧線過渡平滑，減小應力集中。

通過齒向修形， 使得加載嚙合時齒面受載區(qū)域處于齒面中間區(qū)域，見圖5，經(jīng)過多次長時間試驗證明，齒向修形過的齒輪，試驗前后，齒輪磨損量有明顯的減小，減速器高速級齒輪運轉(zhuǎn)聲音穩(wěn)定，無異常嘯叫聲。

圖4 齒廓修形

圖5 齒向修形

2.4 通過零部件輕量設計優(yōu)化

以無外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)和雙臂行星架優(yōu)化結(jié)構(gòu)為例，在保證零件強度足夠的情況下，減少零件的質(zhì)量對產(chǎn)品輕量化設計有著至關重要的作用。

（1）無外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)。 大功率偏航、變槳回轉(zhuǎn)驅(qū)動要求結(jié)構(gòu)緊湊，按照原有的設計思路，行星輪內(nèi)安裝滾動軸承，極大的占用了空間，會造成行星齒輪內(nèi)孔尺寸增大，行星輪整體強度大幅降低，造成行星齒輪齒根開裂，齒圈開裂等故障。新采用以行星齒輪內(nèi)孔作為軸承外圈的內(nèi)滾道，采用滾針軸承，使行星輪輪緣相對加厚，提高承載能力，從根本上解決齒輪損耗問題，同時可有效降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，見圖6。

（2）雙 臂行星架在減速箱低速級中工作，僅和輸出小齒輪通過花鍵連接， 往往承受較大的扭矩， 因此行星需要保證足夠的強度。 通常設計雙臂行星架，為了保證強度足夠，避免應力集中，通常采用適當增大圓角半徑，去除細小螺栓孔等[4]，重量優(yōu)化不明顯。 通過將雙臂行星架筋板由實心改為環(huán)狀，達到輕量化目的。 以設計中實際設計對比為例，優(yōu)化前后，行星架受到的最大等效應力幾乎無變化，最大變形量在允許范圍內(nèi)，而重量下降了12.66%，達到了減重目的，見表2。

圖6 無外圈滾子軸承結(jié)構(gòu)

表2 雙臂行星架設計優(yōu)化對比

圖7 最大等效應力（優(yōu)化前）

圖8 最大等效應力（優(yōu)化后）

圖9 最大變形量（優(yōu)化前）

圖10 最大變形量（優(yōu)化后）

圖11 實心加筋（優(yōu)化前）

圖12 空心環(huán)狀加筋（優(yōu)化后）

3 結(jié)論

隨著海上風電和陸上風電已進入規(guī)?；l(fā)展階段，考慮到風電齒輪箱安裝空間限制和生產(chǎn)成本，越來越多的偏航變槳減速器趨于小驅(qū)動模式， 減速器輕量化日趨重要。本文主要從行星輪個數(shù)、浮動機構(gòu)、齒輪修形和零部件減重等幾個方面介紹了減速器輕量化的設計思路， 除此以外，還多多種設計思路，如優(yōu)化齒輪表面熱處理方式，提高齒輪接觸和彎曲強度、提高減速器傳遞效率等方式。 實際設計時，還需要從多個維度共同入手，多維度相互結(jié)合，從整體來考慮減速器輕量化設計，最終達到產(chǎn)品輕量化設計。