WT2000系列風(fēng)電機(jī)組齒輪箱空中更換技術(shù)研究

宋建秀，申亮，歐惠宇，何貽春，張杰，呂杏梅，黃翀，丁松，胡鴻達(dá)

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部，湖南株洲 412000)

0 前言

隨著風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)量迅速攀升，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大部件維護(hù)與檢修的工作也越來越多。其中，雙饋異步風(fēng)電機(jī)組主齒輪箱(增速箱)整體更換的成本一直居高不下。齒輪箱更換工藝的降本增效成為了風(fēng)電運(yùn)維行業(yè)的迫切需求。

1 關(guān)鍵裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)與制造

1.1 關(guān)鍵裝備的需求分析

風(fēng)電主齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組上主流的安裝形式與位置如圖1所示。主軸承和齒輪箱兩側(cè)的彈性支撐組成了風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的三點(diǎn)支撐。

圖1 一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)組成

一般的齒輪箱更換作業(yè)流程為：拆卸風(fēng)輪→拆卸主軸齒輪箱總成→舊齒輪箱與主軸分離→新齒輪箱與主軸對(duì)接→吊裝主軸齒輪箱總成→吊裝風(fēng)輪。為了降低成本及提高效率，文中采用更加簡(jiǎn)潔的作業(yè)流程：塔上分離舊齒輪箱與主軸→塔上對(duì)接新齒輪箱與主軸。

為了實(shí)現(xiàn)上述方案，需要一種結(jié)構(gòu)來臨時(shí)代替齒輪箱的作用——固定主軸的后端，因此對(duì)主軸固定工裝的需求應(yīng)運(yùn)而生。并且，該主軸固定工裝也是齒輪箱空中更換的核心裝備[1-7]。

1.2 工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考了行業(yè)的多種設(shè)計(jì)思路[8-14]，經(jīng)過多次改進(jìn)和優(yōu)化迭代，WT2000系列風(fēng)電機(jī)組齒輪箱空中更換用主軸固定工裝的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主軸固定工裝的外形結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)工裝在風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架上的安裝效果如圖3所示。

圖3 主軸固定工裝在前機(jī)架上的安裝效果

主軸固定工裝設(shè)計(jì)方面需要注意以下事項(xiàng)：

(1)基本形狀方面：①需要考慮底板、底板的螺栓及墊片與風(fēng)機(jī)偏航制動(dòng)盤的干涉問題。②門架底部的螺紋孔邊沿需要倒角，以便于螺栓的安裝。③門架底部的螺紋孔的螺紋要足夠長(zhǎng)。

(2)實(shí)際環(huán)境的適應(yīng)性方面：①為了適應(yīng)制造的誤差和形變，底板的門架連接孔最好設(shè)計(jì)成腰孔，以方便門架左右調(diào)節(jié)。②為了適應(yīng)制造的誤差和形變，門架的兩腿底部需要設(shè)計(jì)一些5 mm的墊板，以實(shí)現(xiàn)門架的高度可調(diào)。③在實(shí)際應(yīng)用中，主機(jī)架的底面與轉(zhuǎn)軸中心的高度尺寸及主軸的粗細(xì)可能存在誤差。所以，門架的設(shè)計(jì)必須考慮其適應(yīng)性、可調(diào)節(jié)性(左右方向靠腰孔調(diào)節(jié)；高度方向靠墊板調(diào)節(jié)；粗細(xì)靠“調(diào)整環(huán)”、“銅瓦”調(diào)節(jié))。④如果過于依賴腳底部的墊板調(diào)節(jié)高度，則螺栓長(zhǎng)度偏短，造成螺紋嚙合長(zhǎng)度不足。所以可以將螺栓適當(dāng)加長(zhǎng)、螺紋深度適當(dāng)加深，以增加可調(diào)節(jié)的范圍。

1.3 工裝的強(qiáng)度校核與仿真

以WT2000D116/D121風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱空中更換工裝為例進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)果如下。

工裝校核與仿真所用的載荷來源于整機(jī)載荷，而整機(jī)載荷的來源為風(fēng)機(jī)所處風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況數(shù)據(jù)。運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行工裝的仿真與校核。設(shè)計(jì)中采用14 m/s風(fēng)速對(duì)應(yīng)的極限工況載荷。依據(jù)工裝受力情況，選擇Myzmax工況進(jìn)行極限強(qiáng)度計(jì)算校核。

約束邊界的施加：在全局坐標(biāo)下，約束前機(jī)架與偏航軸承接觸面上6個(gè)方向的自由度。

極限強(qiáng)度分析結(jié)果如下：(1)工裝主門框計(jì)算結(jié)果，如圖4所示。(2)工裝下底板計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。(3)連接螺栓計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。(4)前機(jī)架計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。(5)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)件極限強(qiáng)度如表1所示。(6)螺栓極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)件極限強(qiáng)度

表2 螺栓安全裕度

圖4 工裝主門框應(yīng)力云圖

圖5 工裝下底板應(yīng)力云圖

圖6 工裝底板連接螺栓應(yīng)力云圖

圖7 工裝應(yīng)用時(shí)的前機(jī)架應(yīng)力云圖

綜上可知，工裝主門框、下底板、前機(jī)架、連接螺栓在極限載荷工況下的安全裕度大于0，極限強(qiáng)度滿足要求。

1.4 工裝的生產(chǎn)制造

為了減小該工裝在現(xiàn)場(chǎng)的使用難度，保證作業(yè)效率，在生產(chǎn)制造本主軸固定工裝時(shí)需要嚴(yán)格控制以下項(xiàng)目的精度：(1)主門框兩條腿的長(zhǎng)度誤差；(2)主門框兩條腿的長(zhǎng)度差異量；(3)主門框兩條腿的寬度尺寸精度；(4)主門框頂部圓弧的居中度；(5)主門框頂部圓弧左右對(duì)稱中心線相對(duì)于水平面的垂直度；(6)兩塊底板上表面的水平度。

2 齒輪箱空中更換工藝研究與運(yùn)用

WT2000系列風(fēng)電機(jī)組齒輪箱空中更換工藝流程如圖8所示。齒輪箱與主軸在空中分離的實(shí)際效果如圖9所示。

圖8 WT2000系列風(fēng)電機(jī)組齒輪箱空中更換工藝流程

圖9 齒輪箱與主軸在空中分離的實(shí)際效果

一些步驟的探索及取得的研究成果如下：

(1)拆卸主機(jī)架下方、偏航平臺(tái)上方的690 V動(dòng)力電纜，并給主軸固定工裝底板讓位。這些電纜可以分為兩束，分別用5×104N的手拉葫蘆向前上方和后上方牽引，以使電纜產(chǎn)生曲線，給主軸固定工裝底板讓位。

(2)齒輪箱兩側(cè)彈性支撐的軸瓦在安裝時(shí)有預(yù)壓縮量(5～6 mm)，所以拆卸軸瓦時(shí)，主軸需要上抬一定的距離，在設(shè)計(jì)工裝時(shí)就應(yīng)該考慮該位置的活動(dòng)空間。

(3)主軸承允許1°以內(nèi)的偏翹，因此主軸后端允許上下方向的動(dòng)作，動(dòng)作幅度(距離)可以計(jì)算得出。

由于主軸后端需要上翹，則主軸的前端需要下沉，此時(shí)，主軸前端的風(fēng)輪鎖孔會(huì)與風(fēng)輪鎖銷發(fā)生干涉。所以風(fēng)輪鎖銷需要提前后退一定的距離，后退距離可以根據(jù)主軸前端需要下沉的距離和風(fēng)輪鎖銷的錐形幾何尺寸計(jì)算出來。

如果風(fēng)輪鎖銷的后退距離不足，風(fēng)輪鎖銷將承受一部分的“風(fēng)輪-主軸總成” 的前傾覆轉(zhuǎn)矩，降低主軸固定工裝承受的載荷。

但是風(fēng)輪鎖銷后退過多也不合適，會(huì)削弱風(fēng)輪鎖的防風(fēng)輪主軸旋轉(zhuǎn)的作用。

(4)齒輪箱與主軸分離向后移動(dòng)時(shí)，可能與后機(jī)架發(fā)生干涉，在作業(yè)之前必須充分考慮該問題。若干涉不嚴(yán)重，可以將齒輪箱后底部的附件都拆卸掉；若干涉比較嚴(yán)重，可以考慮將齒輪箱后箱體拆卸，或者將后機(jī)架的干涉部分切除，事后再補(bǔ)焊上。

(5)主軸固定工裝安裝完成之后，為了保證工裝的可靠性，可以增加主軸固定工裝的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)(見圖10)。步驟如下：①安裝主軸固定工裝，與主軸緊密接觸；②將齒輪箱兩側(cè)的彈性支撐松掉，保證不向齒輪箱施加壓力(軸瓦無壓力即可，但不要留過大間隙)；③用吊車給齒輪箱施加2.5×104kN的拉力，將齒輪箱的重力全部抵消。

圖10 主軸固定工裝的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)方法

消除齒輪箱重力和彈性支撐的向下壓力之后，主軸固定工裝進(jìn)入載荷最大狀態(tài)(危險(xiǎn)狀態(tài))，此時(shí)可以考驗(yàn)工裝的承載能力。仔細(xì)檢查工裝，如果沒有任何異常，表示測(cè)試通過；如果有任何失效跡象，則該工裝無法使用。

該試驗(yàn)方法可以及時(shí)撤銷，避免主軸與風(fēng)輪的重大危險(xiǎn)。在測(cè)試主軸固定工裝承載能力的同時(shí)，還可保證風(fēng)機(jī)的安全。

3 不足與展望

所研制的主軸固定工裝在以下幾個(gè)方面還存在優(yōu)化、改進(jìn)空間：

(1)工裝的安裝、拆卸要更加容易；

(2)工裝的結(jié)構(gòu)、用材可以更加合理、高效；

(3)增加工裝的通用性，使其與不同機(jī)型的適配性更強(qiáng)；

(4)冗余保護(hù)設(shè)計(jì)：只靠一條腿即可將主軸抱住，則兩條腿會(huì)形成非常安全的冗余保護(hù)；

(5)設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)，使主軸夾緊裝置與主軸表面形成緊密、大面積的接觸，避免應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

針對(duì)WT2000系列風(fēng)電機(jī)組，研制了適配的齒輪箱空中更換用主軸固定工裝；探究了齒輪箱空中更換作業(yè)中的新操作工藝和方法，并取得了一定的成果。

該研究成果大大降低了WT2000系列風(fēng)電機(jī)組齒輪箱更換的作業(yè)成本(包含吊車成本和時(shí)間、人工成本)，降低了維修期間的發(fā)電量損失，促進(jìn)了風(fēng)電整機(jī)行業(yè)大部件運(yùn)維檢修技術(shù)的進(jìn)步。