风电增速箱一般结构及原理课件.ppt

1、风力发电机整体结构 风力发电机由叶片、增速齿轮箱、风叶控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成。视频 图1风力发电机部件位置图增速箱概述 功能：将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速 特点 1、安装空间狭小，要求体积小、重量轻。2、受无规律的变向变负荷及强阵风的冲击 3、常年经受酷暑严寒和极端温差的影响 4、所处环境交通不便，拆卸及运输不便 5、一旦出现故障，修复非常困难常见增速箱的一般结构常见增速箱的一般结构 德国弗兰德4280系列（642kw）增速箱结构图1一级行星齿轮+二级平行轴圆柱齿轮传动的增速箱结构简图 传动结构：由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动组成 传动过程

2、：主轴 胀紧套 行星架 行星 轮 太阳轮 花键套 低速轴（轴）中间轴（轴）输出轴（轴）发电机 传动比：r输入=27.24r/min r输出=1509r/min i总=55.40 速比分配：太阳轮与主轴速比i为5.56中间轴与低速轴速比i为4.05输出轴与中间轴速比i为2.46 特点：结构紧凑胀紧套的连接传递的扭矩大，低速级主轴转速低行星传动，功率分流，太阳轮浮动均载，传动平稳配对外花键加工为鼓形花键，增加太阳轮的浮动量末二级为平行轴圆柱齿轮传动，扭矩小，可合理分配减速比，提高传动效率齿轮箱拆卸方便，但要求加工精度较高 西班牙TegsaPE-477B(350KW)增速箱结构图2三级圆柱齿轮传动增

3、速箱二维结构展开简图图3三级圆柱齿轮传动增速箱内部轴系位置三维结构简图 传动结构：三级平行轴圆柱齿轮传动 传动过程：输入轴（轴）一级增速齿轮轴（轴）二级增速齿轮轴（轴）输出轴（轴）传动比：r输入=34r/min r输出=1512.8r/min i总=44.49 速比分配：一级增速轴（轴）与输入轴（轴）速比i为3.90 二级增速轴（轴）与一级增速轴（轴）速比i为3.53 输出轴（轴）与二级增速轴（轴）速比i为3.23 特点 全部是圆柱齿轮传动，传动结构相对比较简单 上下对开式结构，拆装极其方便 所用轴承均为调心滚子轴承，承载能力强，可以调节同轴误差 全部轴承都采用强制喷油润滑，润滑充分 输出轴自

4、带油泵，无需再配备电机 齿轮相对于轴承的位置不对称，要求轴有较大的刚度 体积和重量相比同等功率增速箱都要大 国内（重齿FLA600、杭齿FZ646、南高齿FD600,功率645KW)增速箱结构图4两级行星机构串联轴传动增速箱结构简图图5两级行星机构串联轴传动增速箱内部结构简图 传动结构：两级行星机构串联轴结构 传递过程：主轴 级行星架 一级太阳轮 级行星 二级太阳轮 串联轴 发电机 传动比：r输入=33.5r/min r输出=1517.55r/min i总=45.3 特点：输入转速高 结构紧凑 体积是同等功率其他类型增速箱的70%，重量轻 制造精度要求较高，结构复杂增速箱齿轮的设计要点 1、材

5、料的选取及热处理方式、材料的选取及热处理方式 材料的选取上要对材料的弯曲疲劳强度分布进行分析，对材料强度统计其平均值和分布规律。优点：优点：对齿轮的设计、计算可以比国家标准提供更可靠的计算数据。分析不同材料的疲劳强度分布规律对材料的选择提供依据。使材料的使用性能和所需费用达到优化。进口风电增进口风电增速箱的箱的材料料与主要工主要工艺要要求名称名称硬度硬度材料材料热处理工艺热处理工艺硬化层深硬化层深 表面粗糙表面粗糙度度精度精度主轴主轴25.525.542CrMo42CrMo调质调质0.80.84 4内齿圈内齿圈30-3130-3142CrMo42CrMo调质调质0.80.84 4行星轮行星轮6

6、16117CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火1.0-1.21.0-1.20.80.84 4行星架行星架24.524.54545调质调质1.61.64 4太阳轮太阳轮555517CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火1.2-1.51.2-1.50.80.84 4太阳轮轴太阳轮轴51-5251-5217CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火1 10.80.84 4一级主齿一级主齿58.458.417CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火1 10.80.84 4鼓型套鼓型套HV550HV55042CrMo42CrMo调质后氮化调质后氮化0.30.30.80.84 4中间轴中间轴58.158.117CN517CN5渗碳淬

7、火渗碳淬火0.80.84 4高速轴高速轴606017CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火0.70.70.80.84 4中间轴齿轮中间轴齿轮 55.155.117CN517CN5渗碳淬火渗碳淬火1.01.00.80.84 4胀紧套胀紧套373740Cr40Cr调质调质1.61.64 4胀紧套楔块胀紧套楔块 HB175HB17540CrMo40CrMo调质调质1.61.64 4箱体箱体HBHBQT400QT400退火退火1.61.64 4 国产化的风电增速箱的材料及工艺要求国产化的风电增速箱的材料及工艺要求名称名称材料材料热处理工艺热处理工艺 表面硬度表面硬度硬化层深硬化层深 芯部硬度芯部硬度精度精度

8、主轴主轴42GrMoA42GrMoA调质调质25-3225-325 5内齿圈内齿圈42GrMoA42GrMoA调质调质+氮化氮化HV700HV7000.30.328-3828-386 6行星轮行星轮20MnCr520MnCr5渗碳淬火渗碳淬火58-6258-621.0-1.21.0-1.230-3830-385 5行星架行星架4545调质调质20-2820-285 5太阳轮太阳轮20CrMnTi20CrMnTi渗碳淬火渗碳淬火58-6258-621.2-1.51.2-1.530-3830-385 5太阳轮轴太阳轮轴20CrMnMo20CrMnMo渗碳淬火渗碳淬火56-6056-601.51.5

9、24-3524-355 5一级主齿一级主齿20CrMnTi20CrMnTi渗碳淬火渗碳淬火58-6258-621 1530-3830-385 5鼓型套鼓型套42GrMo42GrMo调质后氮化调质后氮化 HV550HV5500.30.328-3528-355 5中间轴中间轴20CrMnTi20CrMnTi渗碳淬火渗碳淬火56-6056-601.21.228-3528-355 5高速轴高速轴17CrNiMo617CrNiMo6 渗碳淬火渗碳淬火58-6258-621.21.232-4232-425 5中间轴齿轮中间轴齿轮 20CrMnMo20CrMnMo渗碳淬火渗碳淬火56-6056-601.21

10、.232-4032-405 5胀紧套胀紧套40Gr40Gr调质调质35-4035-405 5胀紧套楔块胀紧套楔块 40GrMo40GrMo调质调质HB180-280HB180-2805 5 国产化材料的设计：尽量选用杂质含量低的钢，尽量降低钢材的含氧量，力求小于5PPm 锻造工艺的控制要求晶粒度要求大于6级 要有足够的锻造比，达到内部夹杂物和疏松等缺陷的大小与晶粒相当，形状不尖锐，分布不连续，尽量远离表面 对于高速轴，应选用合金含量高的表面渗碳钢，控制芯部的抗拉强度及断面收缩率 对轴颈过度圆角进行研磨，以提高轴齿的疲劳性能及轴颈的弯曲、扭转疲劳性能 低速级模数大、直径大的齿轮，要考虑材料的淬透

11、性和渗碳过程的抗晶界氧化和晶粒长大的能力。大齿圈国外采用ADI-1000，表面石墨球可以改善润滑条件，国产没有足够的生产能力，常采用渗碳钢，要提高润滑油粘度，保证齿面有充分的润滑 我公司风电增速箱部件的选材及工艺要求我公司风电增速箱部件的选材及工艺要求名称名称材料材料热处理工热处理工艺艺表面硬度表面硬度硬化层深硬化层深芯部硬度芯部硬度表 面表 面粗 糙粗 糙度度精度精度内齿圈内齿圈42GrMoA42GrMoA调质调质HB300-330HB300-3300.80.86GB100956GB10095行星轮行星轮17CrNiMo617CrNiMo6渗 碳渗 碳+淬淬火火+回火回火58-6258-62

12、1.7-2.01.7-2.033-4233-420.80.85GB100955GB10095太阳轮太阳轮17CrNiMo617CrNiMo6渗 碳渗 碳+淬淬火火+回火回火58-6258-621.7-2.01.7-2.033-4233-420.80.85GB100955GB10095低速轴低速轴20CrMnMo 20CrMnMo 调质调质HB300-330HB300-3300.80.84GB100954GB10095一 级 主一 级 主齿齿20CrMnMo20CrMnMo渗 碳渗 碳+淬淬火火+回火回火58-6258-620.9-1.20.9-1.233-4233-420.80.84GB100

13、954GB10095鼓型套鼓型套42GrMo42GrMo调质调质HB300-330HB300-3301.61.64GB100954GB10095中间轴中间轴20CrMnMo20CrMnMo渗 碳渗 碳+淬淬火火+回火回火58-6258-621.5-1.81.5-1.833-4233-420.80.84GB100954GB10095高速轴高速轴17CrNiMo617CrNiMo6渗 碳渗 碳+淬淬火火+回火回火58-6258-620.9-1.20.9-1.233-4233-420.80.84GB100954GB10095中 间 轴中 间 轴齿轮齿轮17CrNiMo617CrNiMo6渗 碳渗 碳

14、+淬淬火火+回火回火58-6258-620.9-1.20.9-1.233-4233-420.80.84GB100954GB10095箱体箱体Q235+45Q235+45退火退火HB140-180HB140-1801.61.65 5例如图7、图.8、图.9、图.10分别为20CrMnTi、20CrMnMo、20MnCr5、17CrNiMo6的弯曲疲劳强度分布图。图6 20CrMnTi弯曲疲劳强度分布图 图7 20CrMnMo弯曲疲劳强度分布图 图8 20MnCr5弯曲疲劳强度分布图 图9 17CrNiMo6弯曲疲劳强度分布图 结论：从图中可以明显看出，这四种常用齿轮钢在制造大小相当的齿轮，其基本

15、加工工艺相同的弯曲疲劳强度的低限逐步提高，高限接近（最大值均在750N/mm2附近），也就是说分布范围收窄，结合风电增速箱的参数计算，及每个齿轮的应力循环次数，在选材方面从一级主齿及低速轴大齿轮和中间轴均选用20CrMnMo，太阳轮、行星轮、中间轴上齿轮和输出齿轮轴轴选用17CrNiMo6。根据实际运行情况及损坏统计同一部件加工精度等级上要比国产化风电增速箱提高一级。风电齿轮箱的国产化主要工艺过程设计 传统工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛刺清洗 渗碳淬火 清理抛丸 磨齿 检验 改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 精度粗加工+去毛刺清洗 预热处理 重行奥氏体化渗碳淬火A M(a)

16、清理抛丸 少余量缓进给磨齿 检验 对重要件改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛刺清洗预热处理 重行奥氏体化渗碳淬火 清理抛丸 磨齿 强力抛丸 微量磨削 检验 2、齿轮参数的设计要点、齿轮参数的设计要点 1、斜齿轮受力分析、斜齿轮受力分析 T=9549P/n1T=Ftd/2由于功率P转速n1是定值，扭矩T为定值，而d不变则Ft不变 F=Fncosn Fr=Fnsinn Ft=F cos Fx=F sinFr=Ftsinn/cosncos=Fttgn/cos,故径向力Fr随压力角n增大而增大。Fx=F/cos=Ftsin/cos=Fttg,故轴向力Fx随螺旋角的增大而增大。2、设计

17、载荷、设计载荷 风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。按照JB/T10300标准计算确定。按照实测载荷谱计算，齿轮箱使用系数KA1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。3、设计要求、设计要求 效率：机械效率应大于97%噪声级：噪声标准为85dB（A）左右 降低噪声的措施：1.提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；2.提高轴和轴承的刚度；3.合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；4.安装时采取必要的减振措施。可靠性 按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性

18、和变形极限分析、动力学分析等。4、参数选择、参数选择 齿形角的选择：标准齿形角20，采用大齿形角22.5、25、28等，可提高齿根弯曲强度 （丹麦Ja-Ke CS520增速箱）采用小于20齿形角，加大重合度，降低噪声和动载荷 模数m选择：满足轮齿的弯曲强度条件下，选用较小模数可增大齿轮副的重合度，减小滑移率，减小齿轮切削量，降低制造成本。转速高的齿轮尽量减轻重量。齿数z：齿数增加和模数减小可明显提高传动质量 螺旋角：螺旋角太小，将失去斜齿轮的优点，取大值可增加重合度，使传动平稳性提高。但会增加轴向力，一般8-15。齿宽b：齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿宽越大，载荷分布不均现象越严重

19、。支承对齿轮的配置d推荐值工作齿面的硬度一个或一对齿轮350两个齿轮都是350对称配置并靠近齿轮0.8-1.40.4-0.9非对称配置结构刚性较大时0.6-1.20.3-0.6结构刚性较小0.4-0.80.2-0.4 变位系数的选取：增速箱和减速箱的变为系数选取不同，其设计宗旨是减小啮合滑移率 高速齿轮由于模数较小，在设计时必须考虑在尖峰负荷下的齿面变形 精度设计上，由低速到高速齿轮精度等级不低于5到4级（法拉利跑车的精度）。配对啮合的齿轮设计寿命大体相当，不能设计成“老夫少妻”型。3、轴承的设计选择、轴承的设计选择轴承设计应考虑以下几个条件静态承载能力，通常考虑极限载荷；轴承的使用寿命，通常

20、考虑额定运行载荷。极限负荷下的载荷承受能力，其安全系数不应小于2。计算的使用寿命不小于130000小时。计算时应考虑轴承的温度、润滑方式、润滑剂粘度、油膜间隙等箱体外圈内圈轴滚子端盖轴向力径向力风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。图10调心滚子轴承安装结构示意图调心滚子轴承特点：承载能力最大补偿轴的挠曲和同 轴误差图11 内圈带单挡边圆柱滚子轴承结构示意图内圈带挡边圆柱滚子轴承特点：轴承刚度好，制作难度相对较低，拆装方便能够承受较大的径向可以承受一定的轴向力端盖保持架内圈滚子外圈轴轴向力径向力 4、箱体结构、箱体结构 足够的刚性，防止变形，保证传动质量 布局安排

21、合理，满足加工和装配条件并便于检查和维护 筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等方法辅以计算机摸拟计算出应力分布的状况。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 进行退火、时效处理，以消除内应力 箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器等 强度满足尽量减轻重量 5、齿轮箱的润滑、齿轮箱的润滑 齿轮和轴承在转动过程中是通过润滑油生成高压油膜进行润滑，齿轮与齿轮的啮合，轴承滚子与内外圈都有相对的滑动摩擦或滚动摩擦，这都会产生一定的热量，润滑油的流动具有带走热量的作用，热量散失不完全，将会使齿轮箱持续升温，最后导致轴承和齿轮的破坏。因此良好

22、的润滑条件将降低相对摩擦，防止轴承的烧毁和齿轮的胶合。润滑油的要求应考虑：1）减小摩擦和磨损，具有高的承载能力，防止胶合；2）吸收冲击和振动；3）防止疲劳点蚀；4）冷却，防锈，抗腐蚀。推荐选用齿轮油型号：美孚齿轮油SHCXMP320（倾点为-38，40粘度为320）采用强制润滑：采用强制润滑：强制润滑比飞溅润滑更充分，油量更多。现在风电齿轮箱的功率越来越大，因此飞溅润滑的效果已经满足不了正常的使用要求。（例如弗兰德4280系列）轴承润滑应充分考虑形成油膜并能及时回油充分带走热量，因此设计润滑油量的大小非常关键。主轴轴承、偏航驱动齿轮均为脂润滑，但二者润滑油型号不同，不能互换使用。演讲完毕，谢谢各位领导！