—如何避免作用于齒輪箱和軸承的不良載荷

1 前言
　　長期以來，齒輪箱技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組開發(fā)過程中一直是主要的研究領(lǐng)域。在此過程中，齒輪箱開發(fā)呈現(xiàn)出不同的趨勢。最初，應(yīng)用于風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的齒輪箱是對原來工業(yè)齒輪箱向重量輕、體積小方向改進(jìn)。但是隨著損壞索賠數(shù)量的增多以及多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，齒輪箱的設(shè)計(jì)重新趨于保守，焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向安全系數(shù)。
　　開發(fā)過程中的一個(gè)重要步驟是要準(zhǔn)確分析實(shí)際作用于齒輪箱的載荷，并且增加載荷計(jì)算的精確度。作用于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱上典型的重要載荷包括這樣幾個(gè)方面：一是源自轉(zhuǎn)子的載荷，這種載荷方向改變很快；二是由主機(jī)架和塔架構(gòu)成的齒輪箱軟支撐引起的載荷；三是由電網(wǎng)引起并通過發(fā)電機(jī)傳給齒輪箱的瞬時(shí)劇烈波動(dòng)載荷。如下理論已成為現(xiàn)代齒輪箱的研究基礎(chǔ)：即除了調(diào)整齒輪箱設(shè)計(jì)，當(dāng)今設(shè)計(jì)亦考慮通過增加剛性措施來平衡確定的載荷，例如，采用加固結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)度材料。然而，對齒輪箱零件采用更堅(jiān)固的新材料，以及改善齒輪箱內(nèi)的載荷傳輸，都只是改進(jìn)設(shè)計(jì)中的一小部分。一個(gè)關(guān)鍵問題仍然存在，就是齒輪箱設(shè)計(jì)者能否針對潛在載荷找出單獨(dú)應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜載荷問題的解決方案。
　　2 齒輪箱和軸承保護(hù)的新方案
　　基于對不同載荷何時(shí)以及如何作用于風(fēng)電機(jī)組的全面深刻理解，當(dāng)今的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)師可以通過優(yōu)化整個(gè)傳動(dòng)鏈，最大限度地減小載荷對齒輪箱的影響。而且，僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以改善作用于齒輪箱上的載荷。
　　 對于PowerWind 90 2.5MW風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)，PowerWind的工程師就選擇了這種方法。工程師們站在風(fēng)電機(jī)組制造商的角度一直在考慮如何減少與風(fēng)電機(jī)組有關(guān)的載荷事件，即怎樣設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組才有利于預(yù)防或者減少相關(guān)的不良載荷。
　　 基于最新的研究成果和在此領(lǐng)域多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，PowerWind工程師使用現(xiàn)代模擬方法，例如多體模擬和通過有限元對整個(gè)傳動(dòng)鏈進(jìn)行非線性計(jì)算，成功開發(fā)了一種新的齒輪箱和軸承保護(hù)方案。
　    重點(diǎn)放在主機(jī)架的優(yōu)化和齒輪箱支撐的改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)關(guān)鍵的子目標(biāo)：
    。控制主要的齒輪箱載荷
    。減少次要的齒輪箱載荷
    。改進(jìn)主機(jī)架的承載特性
 

3 控制主要的齒輪箱載荷
　　所謂主要載荷是指直接影響風(fēng)電機(jī)組的載荷，這些載荷由轉(zhuǎn)子傳遞的風(fēng)能產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子載荷必須要傳遞給塔架并最終到達(dá)基礎(chǔ)—無論傳動(dòng)鏈?zhǔn)莻鹘y(tǒng)的帶主軸和主軸承的方案還是轉(zhuǎn)子后直接連接齒輪箱的方案。除了發(fā)電所需要的扭矩，風(fēng)還會(huì)持續(xù)產(chǎn)生方向不斷改變的彎矩和剪切力，風(fēng)電機(jī)組必須吸收并承受這些載荷。．這些多余的載荷要比用于發(fā)電的扭矩載荷高出許多倍。
　    多年以來，Allianz技術(shù)中心一直定期舉行“專家日”活動(dòng)，研究與風(fēng)電機(jī)組齒輪箱有關(guān)的各種載荷及其損壞形式。這些”專家日”形成的文章概括了對常用的三點(diǎn)支撐傳動(dòng)鏈（圖1）的研究成果。
　　主軸軸承和兩個(gè)扭力臂支撐用來吸收轉(zhuǎn)子載荷。但載荷在傳遞到扭力臂支撐之前，不得不先從主軸進(jìn)入齒輪箱，并在齒輪箱內(nèi)部傳輸。齒輪箱實(shí)際上相當(dāng)于第二個(gè)主軸軸承。對于這種方案，主軸的動(dòng)態(tài)大幅運(yùn)動(dòng)和變形直接傳入齒輪箱。如果設(shè)計(jì)有缺陷并且軸承游隙不足，會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)無規(guī)律的受載損壞特征。為了防止這一主要載荷危害齒輪箱，在主軸上使用第二個(gè)主軸承，以最有效的方式確保承載安全《圖2)。
　　不像以往風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)在其齒輪箱和主軸承之間留有較大的距離，PowerWind 90的第二個(gè)主軸承布置得與齒輪箱盡可能近，這樣可以吸收那些若沒有第二個(gè)主軸承將直接傳入齒輪箱的轉(zhuǎn)子載荷。由于在齒輪箱側(cè)的這個(gè)第二個(gè)主軸承在這個(gè)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)中是固定軸承，它同樣可以在軸向載荷到達(dá)齒輪箱之前直接將其吸收。類似地，它也可以防止因諸如主軸的熱脹冷縮效應(yīng)對齒輪箱產(chǎn)生影響。
　    與無主軸的集成傳動(dòng)鏈相比，這種方案仍有優(yōu)勢。如果是集成傳動(dòng)鏈，齒輪箱輸入軸同時(shí)起轉(zhuǎn)子軸承的作用。這只能借助于復(fù)雜的預(yù)緊錐軸承或者三排滾子轉(zhuǎn)環(huán)來實(shí)現(xiàn)。此外，齒輪箱殼體不得不吸收更大部分的轉(zhuǎn)子載荷。而前述的傳統(tǒng)雙主軸承方案使用的是調(diào)心滾子軸承，由于這種軸承可以旋轉(zhuǎn)，在主軸承處不可能產(chǎn)生約束力。
　　4 少次要的齒輪箱載荷
　　第四個(gè)支撐點(diǎn)的引入導(dǎo)致傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的靜不定。在靜不定系統(tǒng)中，載荷是依據(jù)系統(tǒng)的剛性來分布的。剛性區(qū)域“吸引”載荷，柔性區(qū)域“避開”載荷。這對于風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈也同樣適用。

 因此，一方面，在齒輪箱的輸入軸處，必須避免那些被歸入次要載荷的有害的約束力和變形應(yīng)變；另一方面，必須借助于軸承處的剛性調(diào)整，隨時(shí)提供所需的軸承支撐載荷。為確保二者均能實(shí)現(xiàn)，PowerWind日口的齒輪箱采用了液壓支撐《圖3).
　    液壓軸承的基本特點(diǎn)是可以針對軸承豎直和扭轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)設(shè)定不同的軸承剛性。因此，與扭矩傳輸所必需的扭轉(zhuǎn)剛性相比較，豎直方向剛性可以設(shè)定得更小。
　    豎直支撐的剛性設(shè)定得更小，使齒輪箱避免了不利的約束力。事實(shí)上，此時(shí)齒輪箱會(huì)隨著主軸做微小運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由于主軸承的剛性比齒輪箱軸承的剛性大很多，主要的轉(zhuǎn)子載荷都傳到了主軸承上。
　　除了轉(zhuǎn)子載荷，由于主機(jī)架的變形而引起的約束載荷也會(huì)影響齒輪箱。但由于采用了液壓軸承，齒輪箱也可以避免這些次要載荷。

5 改進(jìn)主機(jī)架的承載特性
　    有關(guān)主機(jī)架剛性太差從而對齒輪箱和軸承產(chǎn)生負(fù)面影響的問題，在風(fēng)能技術(shù)的最新狀態(tài)報(bào)告中已有論述。為了改進(jìn)主機(jī)架的變形特性，PowerWind進(jìn)一步優(yōu)化了主機(jī)架的空間承載特性。迄今為止，風(fēng)電機(jī)組的主機(jī)架在發(fā)電機(jī)支撐連接端都使用開式結(jié)構(gòu)。而PowerWind 90第一次引入閉式頂部結(jié)構(gòu)。基本原理是將塔架的管狀截面擴(kuò)展到鑄造主機(jī)架，此管狀截面在剛性和材料使用方面均進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。盡管有必需的零件裝配空間要求，閉式截面還是實(shí)現(xiàn)了。與開式截面（圖4）相比，閉式截面（具有同樣壁厚和直徑）的剛性要高得多。作為吸收風(fēng)電機(jī)組載荷最重要的零件，剛性更高的主機(jī)架有著巨大的優(yōu)勢。
    環(huán)形格子支撐與主機(jī)架壁一起形成塔架載面的擴(kuò)展部分，從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)架截面的封閉。進(jìn)而，將后主軸承連接點(diǎn)連在一起亦增加了主機(jī)架剛性。這樣，在保持零件尺寸和重量相同的情況下，極大地減少了齒輪箱的損壞和軸承的變形，部件內(nèi)的應(yīng)力分布也能夠設(shè)計(jì)得更加均勻（圖5)。
　　在設(shè)計(jì)過程中，必須注意使主機(jī)架不扭曲，并避免齒輪箱的兩個(gè)連接點(diǎn)受到相對變形的影響。盡管源自轉(zhuǎn)子的載荷不對稱，主機(jī)架左右兩側(cè)的變形分布卻非常規(guī)則并且在主機(jī)架上是對稱的。總而言之，整個(gè)機(jī)架變形是非常均衡的，在主機(jī)架的前后端沒有顯著的差異。
　　 這還帶來了另外一個(gè)好處：除了降低齒輪箱連接處的相對變形，還實(shí)現(xiàn)了偏航軸承的載荷均布。通常，風(fēng)電機(jī)組制造商向軸承制造商提供軸承設(shè)計(jì)所必需的載荷。如果軸承制造商沒有獲得軸承表面極限和工作載荷分布的資料，他們就使用常規(guī)的正弦載荷分布。然而，由于局部變形，對變形敏感的主機(jī)架無法使載荷均布在塔架軸承表面。事實(shí)上對于管狀鋼質(zhì)塔架，在彎矩作用下其壁內(nèi)應(yīng)力軌跡確呈正弦分布，但開式主機(jī)架實(shí)
 

質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)巨大的但開槽的管狀截面。也就是說，它不是管狀，局部峰值載荷便會(huì)經(jīng)塔架較大柔性區(qū)域傳至偏航軸承。因此，這些區(qū)域?qū)嶋H受到的載荷遠(yuǎn)大于理論假定的載荷，而軸承其他區(qū)域所受的應(yīng)力較小。這些偏航軸承處增加的多余載荷很難確定，但它會(huì)很快導(dǎo)致軸承發(fā)生初始破壞，這些破壞往往是偏航軸承損壞的罪魁禍?zhǔn)住Ｓ捎陂]式主機(jī)架尺寸穩(wěn)定，載荷會(huì)更好地傳至塔架軸承，從而保護(hù)了偏航軸承《圖6).
　　6小結(jié)
　　改進(jìn)齒輪箱的方案和采用更堅(jiān)固的材料只是實(shí)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)載荷更好傳輸?shù)氖侄沃弧；趯τ绊戯L(fēng)電機(jī)組載荷的作用時(shí)間和類型的全面理解，風(fēng)電機(jī)組工程師可以通過優(yōu)化傳動(dòng)鏈最大限度地減小作用于齒輪箱的載荷。通過使用現(xiàn)代模擬工具，PowerWind工程師成功地為PowerWind 90 2.5MW風(fēng)電機(jī)組開發(fā)了一種先進(jìn)的齒輪箱和軸承保護(hù)方案，該方案極大地延長了齒輪箱的工作壽命，不僅顯著地降低了整體運(yùn)行成本，而且
極大地提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性。該方案包括：在靠近齒輪箱位置布置第二個(gè)主軸承，用于控制主要轉(zhuǎn)子載荷；對齒輪箱采用液壓支撐，用于減少次要載荷；使用抗扭主機(jī)架，從結(jié)構(gòu)上降低齒輪箱的載荷。這不僅減少了齒輪箱的載荷，還改善了作用于偏航軸承的載荷。通過全功率變流器，現(xiàn)代電子技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了機(jī)械齒輪箱的保護(hù)。不像非全功率變流器，全功率變流器可將傳動(dòng)鏈從電網(wǎng)完全分離，以免齒輪箱受到電網(wǎng)的影響。