增速器设计

第2章兆瓦级风力发电系统增速器设计

传动装置是大多数机器的主要组成部分。传动件及传动装置设计是否合理、制造和装配质量是否符合要求，将成为决定产品质量的关键。传动可以分为机械传动、流体传动和电传动三类。而机械传动按其工作原理分为啮合传动与摩擦传动，具体分为链传动、带传动、齿轮传动、蜗杆传动四类。根据风力发电机组传动特点和工作环境要求，一般均选择齿轮传动。

齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式。其主要优点是:具有瞬时传动比恒定、可靠性高、寿命长、结构紧凑。齿轮传动分为开式、半开式和闭式三种传动方式。由于风力发电机工作环境恶劣，一般采用闭式传动以满足润滑要求。

增速器是指安装在原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用于增加转速应相应减小转矩。增速器是风力发电机组的重要组成部分，它承担了调速、改变运动形式、动力和运动的传递和分配等功能。考虑到风力发电机要求传动比大、结构紧凑、效率高等特点，本文采用两级行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动的结构形式。

2.1传动方案的确定

目前，国内外生产的风力发电机齿轮箱可分为平行轴圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及平行轴与行星轮系混合式齿轮箱几类;按照传动的级数分为单级和多级齿轮箱;按照传动的布置形式可以分为展开式、分流式和同轴式以及混合式。

现在市场上功率为10KW的增速箱一般采用采用NGW型行星传动，由行星架输入，太阳轮输出，主要特点是:(1)行星架和太阳轮的浮动设计，结构简单，较好的实现了均载; (2)采用行星架作为输入轴，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。缺点是:功率太小，经济效益差，资源利用率低。

500KW以上的风电增速箱由于功率大，大转矩的特点，通常采用功率分流的行星传动。常见结构有:两级平行轴加一级行星和一级平行轴加两级级行星传动两种形式。本文采用的是平行轴与行星轮系混合式齿轮箱。

传动方式简图

2.1.1增速器基本设计要求及设计步骤

增速器齿轮箱的主要设计要求如表2.1所示。

表2.1原始设计要求

额定功率 1500KW

增速比 52~72

输出转速 1400~1600 r/min

输入转速 24~35r/min

分度圆压力角 20°

模数 15~25

最大齿轮直径 1450mm

增速器设计步骤:

(1)根据传动装置的使用要求及工作特点确定传动形式为行星齿轮传动。

(2)确定行星传动的结构形式和选择传动方案。

(3)根据选定的电机的输入速度和经过减速机构减速后的输出速度，确定出这个减速机构的传动比范围。 输入速度:24.78rpm

增速机构增速后的输出速度: 1544.1 rpm

i=1544.1/24.78=62.3127

根据减速装置的用途和工作特点，行星传动的结构形式确定为:单级2K-H(NGW型)行星传动机构。确保其稳定性，行星轮数目为3，其传动比范围为: BaHi=2.1~13.7。由此，初分配行星传动机构中行星轮级数。

根据工作条件需要，行星轮与转动电机之间需要留出足够的位置便于安放电机，并使机构结构紧凑，安装方便，电机与行星轮之间采用斜齿圆柱齿轮连接。行星轮机构初定为2级，每级传动比分配情况如下:

第一级: BaHi=5.2

第二级: BaHi=5.7

2.1.2传动方案及运动原理图

目前，国内生产的增速箱主要采用2K-H ( KGW)型行星传动，行星架为输入端，太阳轮为输入端。其具有如下优点:

(1)行星架采用焊接结构，工艺简单，重量较轻。

(2)动力由行星轮系系杆输入，刚性好，符合风力发电机受力大、转矩大的特点。

(3)高速级和低速级分别采用行星架浮动和太阳轮浮动，简化了结构，使得结构更加的紧凑，均载效果好。

缺点:功率太小，不适合大型风力发电场;蓄能装置负担较大。

考虑到兆瓦级风力发电机大功率，结构紧凑、高可靠性等特点，结合中国船级社风力发电机组规范，本文采用的传动形式如图2.2.

增速器传动结构分为三级，前两级为行星轮系，第一级行星架为输入端，由第一级太阳轮传递至第二级行星架，由第二级太阳轮输出;第三级采用斜齿轮平行轴轮系传动，直接与电机相联。此传动方案具有如下优点:

(1)低速级为行星传动，效率高，体积小，重量轻，结构简单，传递功率范围大，成功实现了功率分流，轴向尺寸小，采用行星轮浮动，均载效果好，实现了大传动比;

(2)高速级为平行轴圆柱斜齿轮传动，合理分配了传动比，实现了平稳输出，降低了振动。

2.2增速器整机设计

2.2.1第一级行星轮系传动设计及校核其装配条件

(1)计算齿轮基本参数

根据初定条件:

baHawiZCn 即 5.23aZC

尽可能取质数，aZ=15 则C=27

15.2bbaHaZiZ

计算bZ: bZ163bwaaaHCnZZi 计算cZ: 1242cbaZZZ

初选: 24cZ

预计啮合角'ac及 'cb:

1bcacZZjZZ

选'20aco '20cbo

(2)校验行星轮齿装配条件:

1)同心条件

为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。

而对于角度变位传动，应为

''coscosacbctactbcZZZZ

2)装配条件

由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数wn必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。

单排2K-H行星传动的装配条件为:两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的

整数倍,即 27acwZZCn整数

3)邻接条件

保证相邻两行星轮的齿顶不相碰

即 '1802sinacwadn

根据以上条件，初选模数为18mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第一级行星轮系参数如表2.2

表2.2 第一级行星轮系参数

齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第一级 中心轮 15 18 0.35 318.6 237.6 270 0

行星轮 24 18 -0.35 455.4 374.4 432 0

内齿圈 63 18 -0.35 1149.975 1220.4 1134 0

2.2.2第二级行星轮系传动设计及校核其装配条件

(1)计算齿轮基本参数 根据初定条件

baHawiZCn 即 5.73aZC

尽可能取质数取20aZ 则 38C

15.7bbaHaZiZ

计算bZ: bZ192bwaaaHCnZZi

计算cZ: 1362cbaZZZ

初选: 36cZ

预计啮合角'ac及 'cb:

1bcacZZjZZ

选'20aco '20cbo

(2)校验行星轮齿装配条件:

1)同心条件

为了保证中心轮和行星架轴线重合，各对啮合齿轮间的中心距必须相等。

而对于角度变位传动，应为

''coscosacbctactbcZZZZ

2)装配条件

由于各行星轮必须均布于中心齿轮之间。为此，各齿轮齿数与行星轮个数wn必须满足装配条件，否则，会出现行星齿轮无法装配的情况。

单排2K-H行星传动的装配条件为:两中心轮的齿数之和应为行星轮数目的

整数倍,即 38acwZZCn整数

3)邻接条件

保证相邻两行星轮的齿顶不相碰

即 '1802sinacwadn

齿高变动系数 y: 0yxy 齿顶圆直径acd: *222accacdmZhxy

14362120.3520

522.2mm

'1802sin678.96acwadno

满足邻接条件

根据以上条件，初选模数为14mm，按照技术要求查阅相关手册，确定第二级行星轮系具体参数如表2.3 .

表2.3 第二级行星轮系具体参数

齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第一级 中心轮 20 14 0.35 317.8 254.8 280 0

行星轮 36 14 -0.35 522.2 4592 504 0

内齿圈 92 14 0.35 1230.45 1285.2 1260 0

2.2.3第三级平行轴圆柱斜齿轮设计

齿数分配如下:

170Z 233Z

具体参数如表2.4 .

表2.4第三级平行轴斜齿轮参数

齿数 模数 变位系数 齿顶圆 齿根圆 分度圆 螺旋角

第三级 斜齿轮一 70 5.5 0 412.49 387.74 401.50 '"122310o(右)

斜齿轮二 33 5.5 0 200.50 175.75 189.50 '"122310o(左)

端面模数: 0'"/cos5.5/cos1223105.6311rnmm

分度圆直径: 1401.50d 2189.50d

标准中心距: 290a

2.2.4行星齿轮具体结构的确定

(1)太阳轮的结构

为便于轴与齿轮之间的连接，本文将太阳轮制成齿轮轴的形式，并利用鼓形渐开线花键实现与上一级行星架的连接，可使中心轮在一定范围内轻微摆动，实现均载。如图2.3.

图2.2太阳轮机构

(2)行星轮的结构

由于风力发电机传动比较大，故本文中采取轴承安装在行星齿轮轴孔内的方式，以减小传动的轴向尺寸，并使装配结构简化。当一般壁厚度赴3m (m为模数)时，为改善轴承受力情况，应使行星轮孔内两个轴承之间的距离最大，这样的装配形式也可使载荷沿齿宽方向分布均匀。在行星轮孔内装一个双列调心滚子轴承也可以减小载荷沿齿宽分布的不均匀性。由于行星轮载荷较大，本文中采用了安装两个双列调心滚子轴承的方式，行星轮结构如图2.3

图2.3行星轮结构

(3)行星架的结构

行星架是行星传动中结构较复杂的一个重要零件。常用行星架有双臂整体式、双臂分离式和单臂式三种。毛坯一般采用铸造、锻造和焊接等方法。本文中采用了双臂整体式，毛坯选用铸钢材料ZG340-640，这种结构具有良好刚性。

2.3材料选择及强度校核

由于风力发电机组具有工作环境恶劣、受力情况复杂等特点。因此，与一般传动机构相比，除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下的一些机械特性，如低温抗脆性、低膨胀收缩率等。对于传动部件而言，一般情况下不采用分体式结构或者焊接结构，齿轮毛坯尽可能采用轮辐轮缘整体锻件形式以提高承载能力。齿轮采用优质合金钢锻造制取毛坯己获得良好的力学特性。