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致谢11
参考文献:
12
2MW风力发电机齿轮箱及主要零部件的装配设计
摘要:
近年来,随着人们对风力发电越来越重视,风电产业迅猛发展。
目前,水平轴风力发电机在风力发电中仍占据重要位置,而由于风电齿轮箱的故障率较高,且风电齿轮箱设计制造的关键技术一直是困扰我国乃至世界风电快速发展的重要因素,特别是随着风力机单机容量的不断增大,大型风电齿轮箱设计制造需要考虑的因素越来越多。
风电机组在运行过程中,齿轮箱往往过早损坏,其原因主要是风电齿轮箱轴承在复杂载荷作用下的寿命难以估算,导致轴承过早损坏,另一方面,尽管目前对轴承寿命的计算方法繁多,但并没有能准确评估现代轴承寿命的计算方法。
此外,对风电齿轮箱的强度计算方法和复杂载荷的处理也不尽完善。
因此,对大型风电齿轮箱装置展开系统、深入的分析研究对风电的发展具有重要意义。
风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣,风电齿轮箱作为风电机组的核心部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。
但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚,技术薄弱,特别是兆瓦级风电齿轮箱,主要依靠引进国外技术。
因此,急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究,真正掌握风电齿轮箱设计制造技术,以实现风机国产化目标。
关键词:
风电齿轮箱;
零部件;
加工;
装配
一、齿轮箱的加工及工艺
(一)齿轮箱箱体加工与装配
1.齿轮箱体
齿轮箱体和风轮轴轴承支座的材料
根据国家标准GB/T19073-2008齿轮箱体的制造和技术要求,箱体类零件的材料应按照GB/T1348-2009和GB/T9439的规定选用铸铁材料,宜选用球墨铸铁,也可选用HT250以上的普通铸铁,和其他具有等效力学性能的材料。
采用铸铁箱体可发挥其减振性。
易于切削加工等特点,适于批量生产,常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。
常用的为灰铸铁:
HT250/HT300和球墨铸铁:
QT400-15/18,QT450-10,QT500-7,QT600-3,QT700-2。
相当于欧洲标准:
EN-GJS400-15/18,EN-GJS450-10,EN-GJS500-7,EN-GJS600-3,EN-GJS700-2及德国标准:
GGG25,GGG30,GGG35.5,GGG40,GGG40.3,GGG50,GGG60。
使用最多的是耐低温冲击铁素体球墨铸铁。
用铝合金或其他轻合金制造的箱体,可使其重量比铸铁轻20%-30%,但从另一角度考虑,轻合金铸造箱体,降低重量的效果并不显著。
这是因为轻合金铸件的弹性模量较小,为了提高刚度,设计时常须加大箱体受力部分横截面积,在轴承座处加装钢制轴承座套,相应部位的尺寸和重量都要加大。
目前除了较小风力发电机组尚用铝合金箱体外,大型风力发电机组齿轮箱使用铝合金铸件箱体已经不多。
单件、小批生产时,常用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。
为减小机械加工过程和使用过程中的变形,防止出现裂纹,无论是铸造还是焊接箱体均应进行退火、时效处理,以消除内应力。
2.齿轮箱的加工工艺过程
(1)齿轮箱箱体的铸造毛坯首先必须进行退火和时效处理,以消除内应力。
清砂后喷丸处理,然后喷涂防锈漆。
(2)小批量生产时,钳工划线作为加工装卡时找正的基准。
大批量生产采用特制的卡具,保证各个加工面加工余量分配均匀,避免出现局部缺肉造成废品。
(3)将齿轮箱箱体毛坯的剖分面法兰面向上吊装在立式车床的转盘上,找正后卡紧。
按图样要求车出法兰孔、断面及剖分法兰孔在一条轴线上的所有孔、断面和内圆面。
(4)在大型数控钻镗铣床上采用中心轴定位卡紧方式进行装夹,加工出剖分面法兰孔、浮动安装耳环孔及与中心孔不在一条轴线上的其它全部孔。
(5)更换卡具,齿轮箱箱体剖分面向下采用一面亮销定位的方式装夹,使用大型数控钻镗铣床加工出箱体前、后端面及其端盖安装孔。
(6)大型数控钻镗铣床工作台旋转90
,加工出箱体侧面窗口平面及其压盖安装孔。
齿轮箱上所有安装螺栓孔的位置精度不允许大于0.2mm(螺栓孔直径-螺栓直径)。
(7)机械加工完成后,全部外露表面应喷涂防护漆,涂层应薄厚均匀,表面平整、光滑、颜色均匀一致。
(8)全部加工完后进行清洗,箱体不得有渗油及漏油现象,检验合格后入库。
3.齿轮箱装配工作的基本内容
齿轮箱装配对于风电场来说是齿轮箱大修阶段,装配过程中不是将合格零件简单地联接起来,而是要通过一系列工艺措施调整加工件的配合啮合及受力,最终达到齿轮箱的正常平稳运行的要求。
常见的齿轮箱装配工作有以下几项:
(1)清洗目的是去除零件表面或部件中的油污及机械杂质。
(2)联接的方式一般有两种:
可拆联接和不可拆联接。
可拆联接在装配后可以很容易拆卸而不致损坏轴承齿轮等,且拆卸后仍可重新装配在一起。
例如箱体螺纹联接、齿轮与轴的配合等,不可拆联接,装配后一般不再拆卸,例如箱体内的一些焊接部分等。
(3)调整包括校正、配作、平衡等。
校正是指齿轮箱中各轴的平行度,齿轮与轴垂直度,箱体孔的圆度找正,找正并通过各种调整方法,对有磨损的部位进行修磨或增加衬垫,保证达到装配精度要求等。
配作是指两个零件装配后确定其相互位置的加工,如对轴承端盖修整、轴上键的加工,或为改善两个零件表面结合精度的加工,如配刮及配磨等,配作是校正调整工作结合进行的。
平衡包括静平衡和动平衡两种方法,一般要用专门的仪器进行测量调整,一般齿轮箱大修完成后,宏观转动检查,再做拖动试验,在做拖动试验的过程,从齿轮箱各轴的温度及声音进行判断。
(4)拖动试验完成后,拖动用电机电流及齿轮箱箱体未发现异常即可吊装。
二、齿轮箱的主要零部件
(一)箱体
箱体是齿轮箱的重要部件,它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。
箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用,防止变形,保证传动质量。
箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。
为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动,齿轮箱可安装在弹性减振器上。
最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块,合理使用也能取得较好的结果。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。
在相应部位设有注油器和放油孔。
放油孔周围应留有足够的放油空间。
采用强制润滑和冷却的齿轮箱,在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。
(二)齿轮
风力发电机组运转环境非常恶劣,受力情况复杂,要求所用的材料除了要满足机械强度条件外,还应满足极端温差条件下所具有的材料特性,如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。
对齿轮和轴类零件而言,由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计,一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构,齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内,都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。
(三)轴
1.轴类零件采用锻造方法制取毛坯,可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学性能,其力学性能应符合GB/T3077-1999、JB/T6395-1992、JB/T6396-2006的规定。
合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺,保证了材料的综合力学性能达到设计要求。
2.轴类零件使用大型卧式车床或者大型卧式数控车床进行机械加工,然后加工键槽及法兰孔等部位。
3.轴类零件的热处理。
一般没有滑动表面的轴使用中碳钢或中碳合金钢必须进行调质处理。
调质后的硬度为32-36HRC。
有滑动表面的轴,若使用中碳钢或中碳合金钢应进行表面淬火,表面淬火应优先选用高频感应加热淬火工艺。
高频感应加热淬火后的硬度为50-56HRC,淬硬层的深度不应小于轴颈尺寸的2%;
若使用低碳钢或低碳合金钢应进行渗碳处理。
渗碳层的深度不应小于轴颈尺寸的2%;
淬火后的硬度为58-62HRC。
细长轴在热处理时要采取措施,防止热处理变形。
要求加热应使用井式炉。
悬吊方式加热,垂直淬火工艺;
调质高温回火时也应如此。
4.轴类零件的热处理后,轴上各个配合部分的轴颈需要进行磨削加工、以修正热处理变形,同时轴颈使尺寸达到配合精度要求。
三、轴承的选用与安装
(一)轴承的选用
轴承是传动链设计需要重点考虑的问题。
如主轴的前轴承需要承受风轮产生的弯矩和推力,通常采用滚动轴承作为径向与轴向支撑。
风电机组主传动链中,较多采用了圆柱滚子轴承、调心滚子轴承或深沟球轴承。
国内外有关标准(如美国标准ANSI/AGMA/AWEA6006-03)规定了此类轴承的设计规范,可供轴承的设计和选型参考。
相关标准对风电机组齿轮箱轴承的一般规定为行星架应采用深沟球轴承或圆柱滚子轴承,速度较低的中间轴可选用深沟球轴承、球面滚子推力轴承或圆柱滚子轴承,高速轴的中间轴则应选择四点接触球轴承或圆柱滚子轴承,高速输出轴和行星轮采用圆柱滚子轴承等。
(二)轴承的安装
(1)冷压法
常用专用压套压装轴承的内、外圈。
冷压发装轴承
(2)热套法
对于尺寸较大的轴承,可先将轴承放在80~100℃的热油中预热,然后进行安装。
一般安装人员用铜棒对轴承进行均匀的向下打击安装,直到轴承到达轴台固定位置。
如果在风力机上安装,就得要用喷灯进行均匀加热。
安装过程中,一定要注意轴承各侧竖直受力均匀,不能偏斜。
保证安装精度。
(三)齿轮和轴的连接
1.平键联接
常用于具有过盈配合的齿轮或联轴节的联接。
由于键是标准件,故可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件进行选择。
如果强度不够,可采用双键,成
布置,在强度校核时按1.5个键计算。
2.花键联接
通常这种联接是没有过盈的,因而被联接零件需要轴向固定。
花键联接承载能力高,对中性好,但制造成本高,需用专用刀具加工。
花键按其齿形不同,可分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三种。
渐开线花键联接在承受负载时齿间的径向力能起到自动定心作用,使各个齿受力比较均匀,其加工工艺与齿轮大致相同,易获得较高的精度和互换性,故在风力发电齿轮箱中应用较广。
3.过盈配合联接
过盈配合联接能使轴和齿轮(或联轴节)具有最好的对中性,特别是在经常出现冲击载荷情况下,这种联接能可靠地工作,在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。
利用零件间的过盈配合形成的联接,其配合表面为圆柱面或圆锥面(锥度可取1:
30~1:
8)。
圆锥面过盈联接多用于载荷较大,需多次装拆的场合。
4.胀紧套联接
利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力,是一种无键联接方式,定心性好,装拆方便,承载能力高,能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置,且具有安全保护作用。
弹性套是在轴向压紧力的作用下,其锥面迫使被其套住的轴内环缩小,压紧被包容的轴颈,形成过盈结合面实现联接。
弹性套材料多用65、65Mn、55Cr2或60Cr2等钢材。
弹性套的工作应力一般不应超过其材料的屈服极限,其强度和变形可根据圆锥面过盈联接公式计算。
内外环与轴和毂孔的配合通常取H7/H6,配合表面粗糙度为Ra0.8~Ra0.2)。
联接表面的压力可按厚壁圆筒的有关公式计算。
(四)轴的设计
齿轮箱中的轴按其主动和被动关系可分为主动轴、从动轴和中间轴。
首级主动轴和末级从动轴的外伸部分,与风轮轮毂、中间轴或电机传动轴相联接。
为了提高可靠性和减小外形尺寸,有时将半联轴器(法兰)与轴制成一体。
输出轴和输入轴的轴径d(mm)可按下式作粗略计算:
式中A——与材料有关的系数(A=105~115,材料较好时取较小值);
P——轴传递的功率(kW);
n——轴的转速(r/min)。
d按计算结果取较大值并圆整成标准直径,且以此为最小轴径设计成阶梯轴。
中间轴直径则按弯矩和扭矩的合成进行计算。
在轴的设计图完成后再进行精确的分析计算,最终完善细部结构。
(五)滚动轴承
齿轮箱的支承中,大量应用滚动轴承,其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小,即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。
一般推荐在极端载荷下的静承载能力系数fs应不小于2.0。
对风力发电机组齿轮箱输入轴轴承的静强度计算时,需计入风轮的附加静载荷。
轴承的使用寿命采用扩展寿命计算方法来进行计算,其所用的失效概率设定为10%,如果按典型载荷谱考虑时,其平均当量动载荷按下式计算:
式中
——平均当量动载荷;
P——作用于轴承上的当量动载荷;
N——总的循环次数;
z——寿命指数(对于球轴承z=3,滚动轴承z=10/3)。
计算的使用寿命应不小于13万小时。
运转过程中,在安装、润滑、维护都正常的情况下,轴承由于套圈与滚动体的接触表面经受交变载荷的反复作用而产生疲劳剥落。
一般情况下,首先在表面下出现细小裂纹。
在继续运转过程中,裂纹逐步增大,材料剥落,产生麻点,最后造成大面积剥落。
疲劳剥落若发生在寿命期限之外,则属于滚动轴承的正常损坏。
因此,一般所说的轴承寿命指的是轴承的疲劳寿命。
一批轴承的疲劳寿命总是分散的,但总是服从一定的统计规律,因而轴承寿命总是与损坏概率或可靠性相联系。
对于轴承损坏,实践中主要凭借轴承支承工作性能的异常来辨别。
运转不平稳和噪声异常,往往是轴承滚动面受损或因磨损导致径向游隙增大而产生损坏的反映。
当运转时支承有沉重感,不灵便,摩擦力大,一般是由于滚道损坏、轴承过紧或润滑不良造成的损坏。
其表现就是温度升高。
在日常运转过程中,当工作条件没有变,而温度突然上升,通常就是轴承损坏的标志。
在监控系统中可以用温度或振动测量装置检测箱体的轴承部位,以便及时发现轴承工作性能方面的变化。
在风力发电齿轮箱上常采用的轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等。
在所有的滚动轴承中,调心滚子轴承的承载能力最大,且能够广泛应用在承受较大负载或者难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。
轴承的套圈和滚子主要用铬钢制造并经淬火处理,具备足够的强度、高的硬度和良好的韧性和耐磨性。
四、齿轮箱的选用及其维护
(一)安装要求
齿轮箱主动轴与叶片轮毂的联接必须可靠紧固。
输出轴若直接与电机联接时,应采用合适的联轴器,最好是弹性联轴器,并串接起保护作用的安全装置。
齿轮箱轴线和与之相联接的部件的轴线应保证同心,其误差不得大于所选用联轴器和齿轮箱的允许值,齿轮箱体上也不允许承受附加的扭转力。
齿轮箱安装后用人工盘动应灵活,无卡滞现象。
打开观察窗盖检查箱体内部机件应无锈蚀现象。
用涂色法检验,齿面接触斑点应达到技术条件的要求。
(二)空载试运转
按照说明书的要求加注规定的机油达到油标刻度线,在正式使用之前,可以利用发电机作为电动机带动齿轮箱空载运转。
此时,经检查齿轮箱运转平稳,无冲击振动和异常噪声,润滑情况良好,且各处密封和结合面无泄漏,才能与机组一起投入试运转。
加载试验应分阶段进行,分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载,每一阶段运转以平衡油温为主,一般不得小于2h,最高油温不得超过8012,其不同轴承间的温差不得高于1512。
(三)正常运行监控
每次机组起动,在齿轮箱运转前先起动润滑油泵,待各个润滑点都得到润滑后,间隔一段时间方可起动齿轮箱。
当环境温度较低时,例如小于10℃,须先接通电热器加热机油,达到预定温度后才可投入运行。
若油温高于设定温度,如65℃时,机组控制系统将使润滑油进入系统的冷却管路,经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。
管路中还装有压力控制器和油位控制器,以监控润滑油的正常供应。
如发生故障。
监控系统将立即发出报警信号,使操作者能迅速判定故障并加以排除。
在运行期间,要定期检查齿轮箱运行状况,看看运转是否平稳;
有无振动或异常噪声;
各处连接的管路有无渗漏,接头有无松动;
油温是否正常。
(四)定期更换润滑油
第一次换油应在首次投入运行500h后进行,以后的换油周期为每运行5000h~10000h。
在运行过程中也要注意箱体内油质的变化情况,定期取样化验,若油质发生变化,氧化生成物过多并超过一定比例时,就应及时更换。
齿轮箱应每半年检修一次;
备件应按照正规图纸制造,更换新备件后的齿轮箱,其齿轮啮合情况应符合技术条件的规定,并经过试运转与载荷试验后再正式使用。
(五)齿轮箱常见故障及预防措施
齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。
1.齿轮损伤的影响因素很多,包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等。
常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。
2.断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。
根据裂纹扩展的情况和断齿原因,断齿可分为过载折断(包括冲击折断)、疲劳折断以及随机断裂等。
3.齿面疲劳是在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下,轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤,其表现形式有早期点蚀、破坏性点蚀、齿面剥落、和表面压碎等。
特别是破坏性点蚀,常在齿轮啮合线部位出现,并且不断扩展,使齿面严重损伤,磨损加大,最终导致断齿失效。
正确进行齿轮强度设计,选择好材质,保证热处理质量,选择合适的精度配合,提高安装精度,改善润滑条件等,是解决齿面疲劳的根本措施。
4.胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏,导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象,很可能是由于润滑条件不好或有干涉引起,适当改善润滑条件和及时排除干涉起因,调整传动件的参数,清除局部载荷集中,可减轻或消除胶合现象
5.轴承是齿轮箱中最为重要的零件,其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。
轴承在运转过程中,套圈与滚动体表面之间经受交变载荷的反复作用,由于安装、润滑、维护等方面的原因,而产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷,使轴承失效,从而使齿轮副和箱体产生损坏。
6.断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。
究其原因是轴在制造中没有消除应力集中因素,在过载或交变应力的作用下,超出了材料的疲劳极限所致。
因而对轴上易产生的应力集中因素要给予高度重视,特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧过渡,此处的粗糙度要求较低,也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。
设计时,轴的强度应足够,轴上的键槽、花键等结构也不能过分降低轴的强度。
保证相关零件的刚度,防止轴的变形,也是提高可靠性的相关措施。
7.齿轮箱油温最高不应超过80℃,不同轴承间的温差不得超过15℃。
一般的齿轮箱都设置有冷却器和加热器,当油温低于65℃时,加热器会自动对油池进行加热;
当油温高于65℃时,油路会自动进入冷却器管路,经冷却降温后再进入润滑油路。
如齿轮箱出现异常高温现象,则要仔细观察,判断发生故障的原因。
首先要检查润滑油供应是否充分,特别是在各主要润滑点处,必须要有足够的油液润滑和冷却。
再次要检查各传动零部件有无卡滞现象。
还要检查机组的振动情况,前后连接接头是否松动等等。
本文主要介绍了齿轮箱内各处轴承的选用及其他辅助构件在选用过程中的注意事项:
齿轮箱在传动过程中会有个方面的要求,如噪声的大小,温度的高低,载荷是否均匀及润滑是否能通畅流动等,在设计过程中这些问题是不可忽视的。
致谢
本论文正是在众多师长的悉心指导以及同学们的热情帮助下才得以顺利完成的。
特别要衷心地感谢导师赵老师。
从本论文的选题、内容设计到论文的写作过程中都倾注了她大量的心血。
赵老师学识渊博、治学严谨、对问题分析独到,使我由衷敬佩。
更重要的是,赵老师宽宏谦和的处世态度和勤恳做事、踏实做人的人生原则将使我终生受益。
几个月来,通过与赵老师的交流和学习,我懂得了如何开展学术工作。
无论是在学习中还是在生活中,赵老师都不断地激励着我,正是赵老师的关心与爱护才使我能顺利完成本次毕业论文的撰写。
她的言传身教使我对做人、做学问有了新的认识,这些将会成为我今后学习和工作的基础,也将成为我人生道路上的精神财富。
在此,向她致以发自内心的感谢。
另外,这次论文我也参考并引用了大量的相关论文和资料,对于前辈们的辛勤研究我表示敬佩和感谢!
【1】成大先主编.机械设计手册第六卷.机械工业出版社
【2】芮晓明主编.风力发电机组设计机械工业出版社,2010.2
【3】戴枝荣张远明主编.工程材料第二版.高等教育出版社
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机械丁业出版社,2004.8
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