基于同齒輪箱高度集成一體化理念開(kāi)發(fā)的發(fā)電機(jī)軸承單元結(jié)構(gòu)

郭晏麟

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044502）

引言

隨著風(fēng)電裝備制造行業(yè)整體低成本、高緊湊的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與齒輪箱的集成化簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)將是相關(guān)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。如何實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與齒輪箱集成連接部位的軸系有效潤(rùn)滑和密封，是研究的主要方向。

軸承密封結(jié)構(gòu)的主要作用是為了阻止灰塵、水、酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止軸承潤(rùn)滑劑流失。一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可靠的軸承密封結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)，驅(qū)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)時(shí)，成熟經(jīng)典的結(jié)構(gòu)是發(fā)電機(jī)與齒輪箱通過(guò)聯(lián)軸節(jié)連接，兩者采用各自獨(dú)立的潤(rùn)滑油路，抑或發(fā)電機(jī)不含軸承，其定、轉(zhuǎn)子均支撐在齒輪箱端蓋上。

齒輪箱內(nèi)部齒輪嚙合傳動(dòng)，齒輪箱太陽(yáng)輪與發(fā)電機(jī)輸入軸連接傳遞扭矩，由于齒輪與潤(rùn)滑油及嚙合齒輪之間的摩擦，使?jié)櫥蜏囟壬?，齒輪箱內(nèi)氣壓隨之上升，使箱內(nèi)外壓力無(wú)法均衡，這時(shí)電機(jī)軸承內(nèi)油封處于電機(jī)通風(fēng)的負(fù)壓區(qū)，電機(jī)軸承單元油封部位內(nèi)外壓力差，有可能使得潤(rùn)滑油竄入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，污染電機(jī)部件，損壞繞組絕緣，造成電機(jī)故障。

1 現(xiàn)有技術(shù)方案及其劣勢(shì)

1.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

現(xiàn)有發(fā)電機(jī)齒輪箱驅(qū)動(dòng)鏈銜接部位的軸承密封結(jié)構(gòu)基本都是獨(dú)立的潤(rùn)滑體系，或獨(dú)立布置在發(fā)電機(jī)端蓋上，抑或獨(dú)立布置在齒輪箱端蓋上。具體密封結(jié)構(gòu)基本都是采用接觸式唇形密封圈或外加軸向密封槽迷宮密封結(jié)構(gòu)。

1.2 劣勢(shì)

1）獨(dú)立的潤(rùn)滑體系使得驅(qū)動(dòng)鏈的軸向尺寸變長(zhǎng)，重量變重，運(yùn)輸不便，整機(jī)成本增加。

2）現(xiàn)有電機(jī)軸承密封結(jié)構(gòu)功能較為單一，僅起密封作用；回油路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易造成回油不暢；且未設(shè)置通大氣孔，不能有效均衡齒輪箱、發(fā)電機(jī)及外界大氣之間的氣壓差問(wèn)題。

2 新型設(shè)計(jì)方案

2.1 所要解決的技術(shù)問(wèn)題

為解決齒輪箱發(fā)電機(jī)系統(tǒng)集成化、輕量化、超級(jí)緊湊的開(kāi)發(fā)需求，將發(fā)電機(jī)與齒輪箱銜接部位采用一套共用端蓋，并使兩者的油路貫通，一體化潤(rùn)滑，通過(guò)合理布置共用端蓋內(nèi)部的油路密封結(jié)構(gòu)和回油結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)齒輪箱行星架軸承和發(fā)電機(jī)軸承均得到有效潤(rùn)滑，最終確保軸承單元可靠運(yùn)行。

2.2 整體設(shè)計(jì)技術(shù)方案

1）為發(fā)電機(jī)齒輪箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種超級(jí)緊湊型、輕量化，且實(shí)現(xiàn)齒輪箱與發(fā)電機(jī)共用潤(rùn)滑油油路的軸承布置密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)集發(fā)電機(jī)軸承和齒輪箱行星架軸承潤(rùn)滑、多重迷宮密封、回油、氣壓平衡等功能于一體，性能可靠，易于維護(hù)，適用范圍廣。

2）設(shè)計(jì)一種新型端蓋結(jié)構(gòu)，該端蓋為齒輪箱和發(fā)電機(jī)所共用，通過(guò)合理布置內(nèi)部油路結(jié)構(gòu)，結(jié)合特殊結(jié)構(gòu)的背靠背TRB 軸承外圈隔套，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱行星架軸承和發(fā)電機(jī)雙TRB 軸承的有效噴油潤(rùn)滑（具體油量分配以油量分配模擬測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)）。該端蓋還設(shè)置了三通路回油結(jié)構(gòu)。

3）設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)斜花鍵空心軸套結(jié)構(gòu)，該內(nèi)斜花鍵與齒輪箱的太陽(yáng)輪嚙合傳遞扭矩，空心內(nèi)圓用于安裝穿線管及穿線管軸系，通過(guò)在空心軸套內(nèi)部合理布置回油孔，確保穿線管軸承潤(rùn)滑油路的循環(huán)。

如圖1 所示，發(fā)電機(jī)軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)單元由（發(fā)電機(jī)和齒輪箱的）共用端蓋（含軸承座）、內(nèi)斜花鍵空心軸套、前TRB 軸承、軸承外圈隔套、軸承內(nèi)圈隔套、后TRB 軸承、通大氣孔（連接法蘭）、軸承外圈壓環(huán)、軸承蓋、定位環(huán)、密封環(huán)、封環(huán)及其他附件（O 形密封圈、圓螺母、緊固件等）組成。端蓋上設(shè)有來(lái)自于齒輪箱的進(jìn)油通路，并布置了進(jìn)油油路和三通路回油孔。端蓋軸承位與內(nèi)斜花鍵空心軸套外圈之間安裝有前TRB 軸承、軸承外圈隔套、軸承內(nèi)圈隔套及后TRB 軸承。內(nèi)斜花鍵空心軸套內(nèi)部設(shè)有與齒輪箱太陽(yáng)輪嚙合傳遞扭矩的內(nèi)斜花鍵及太陽(yáng)輪軸向定位臺(tái)，還布置了齒輪箱穿線管軸承回油路。在端蓋尾部設(shè)計(jì)了由軸承外圈壓環(huán)、軸承蓋、定位環(huán)、密封環(huán)、封環(huán)組合成的四道泄油回路將潤(rùn)滑油循環(huán)至齒輪箱內(nèi)部，同時(shí)形成了四道迷宮密封。最后，連接在內(nèi)斜花鍵空心軸套尾部的連接法蘭上設(shè)置了通大氣孔，同時(shí)附加了兩道徑向迷宮密封。

2.3 設(shè)計(jì)方案的技術(shù)亮點(diǎn)

1）發(fā)電機(jī)和齒輪箱的共用端蓋（含軸承座）：如圖1 所示，該端蓋兩端各設(shè)置有一個(gè)止口，左側(cè)與齒輪箱的齒圈連接，右側(cè)與發(fā)電機(jī)的定子連接，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鏈的緊湊布置。通過(guò)合理布置內(nèi)部油路結(jié)構(gòu)，結(jié)合特殊結(jié)構(gòu)的背靠背TRB 軸承及軸承外圈隔套，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱行星架軸承和發(fā)電機(jī)雙TRB 軸承的有效噴油潤(rùn)滑。在端蓋下部還設(shè)置了三通路回油結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖1 發(fā)電機(jī)軸承單元整體布置結(jié)構(gòu)

圖2 三通路回油斜孔在共用端蓋上的布置

如圖3 所示，在端蓋內(nèi)圓左側(cè)設(shè)有“軸承油腔擋臺(tái)”，確保潤(rùn)滑系統(tǒng)不工作時(shí)，仍然有適量的潤(rùn)滑油保留在軸承油腔中，對(duì)軸承起到保護(hù)作用。

2）軸承密封、回油結(jié)構(gòu)：如圖3、圖4 所示，在端蓋尾部設(shè)計(jì)了由軸承外圈壓環(huán)、軸承蓋、定位環(huán)、密封環(huán)、封環(huán)及O 型密封圈組合而成的四道迷宮密封。圖4 中的L1尺寸需要根據(jù)相關(guān)零件實(shí)際尺寸配磨從而保證雙TRB 軸承的安裝游隙；L2尺寸是對(duì)軸承外圈壓環(huán)進(jìn)行長(zhǎng)度配磨，保證端蓋尾部端面與軸承蓋止口端面之間的縫隙≤0.03，實(shí)現(xiàn)油路可靠密封。

圖3 發(fā)電機(jī)第二、三、四道回油路、密封結(jié)構(gòu)及齒輪箱穿線管軸承回油路

圖4 四道迷宮密封結(jié)構(gòu)及軸承單元配做尺寸

如圖3 所示，在端蓋尾部同時(shí)設(shè)計(jì)了四道回油路，將流經(jīng)軸承以及竄入迷宮的潤(rùn)滑油循環(huán)回齒輪箱內(nèi)。如圖5、圖6 所示，第一道回油路對(duì)軸承外圈隔套的回油槽高度尺寸進(jìn)行了控制，通過(guò)最低油位線有效保證了TRB 軸承的滾子1/2 可以浸潤(rùn)在潤(rùn)滑油中。如第25 頁(yè)圖3 所示，第二、三、四道回油路可將竄入迷宮的潤(rùn)滑油返回至齒箱中，迷宮越靠后，竄入的油量越小。

圖6 軸承外圈壓環(huán)油位

3）通大氣孔結(jié)構(gòu)：如第25 頁(yè)圖1 所示，在連接法蘭上設(shè)有通大氣孔，用于均衡齒輪箱、發(fā)電機(jī)及外界大氣之間的氣壓差問(wèn)題，防止?jié)櫥透Z入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，污染電機(jī)部件，損壞繞組絕緣。

4）內(nèi)斜花鍵空心軸套：如第25 頁(yè)圖3 所示，該內(nèi)斜花鍵與齒輪箱的太陽(yáng)輪嚙合傳遞扭矩，空心內(nèi)圓用于安裝穿線管及穿線管軸系，通過(guò)在空心軸套內(nèi)部合理布置回油孔，確保穿線管軸承潤(rùn)滑油路的循環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)方案經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試（軸承單元7°傾角通油試驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)鏈負(fù)載試驗(yàn)）和實(shí)際風(fēng)場(chǎng)運(yùn)用考核，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。可以充分滿(mǎn)足大兆瓦風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)鏈集成化、輕量化、超級(jí)緊湊的開(kāi)發(fā)需求，實(shí)現(xiàn)齒輪箱軸承和發(fā)電機(jī)軸承的充分潤(rùn)滑和有效密封，最終提升整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行可靠性并達(dá)到降本增效的目的。