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作者：Frank Schwingshandl，Max Bodmer，Gerald Fox
供稿：鐵姆肯公司
供稿：鐵姆肯公司
摘要：時下模塊化風機齒輪箱的可靠性是一個普遍存在的問題。為此，Maag開發和試制了一種新型齒輪箱，在平衡剛度和柔性的基礎上能更好地實現載荷的分配均勻，具有較小的應力和最佳齒輪接觸模式。該設計的特點在于：把主軸載荷支撐在兩個預緊的圓錐滾子軸承的齒輪箱輸入端；將輸入轉矩的動力分配為兩個行星齒輪傳動級，同時減少齒輪上的單位載荷；另外，它適用于單壁行星架，且每個單壁行星架配備一排柔性的“集成式柔性銷軸承”，以確保行星齒輪之間載荷均勻，且消除了雙支撐行星架由于發生扭轉變形而引起的不對中問題。如今，經過一年的場地試驗，Maag公司的其中一種PV齒輪箱已經在位于蘇格蘭奧克尼島（OrkneyIsland）的全球最大風力開發項目中得到應用，并被證明非常成功。其應用結果將在本文中予以講述。
前言：行星輪系的設計挑戰
Maag齒輪有限公司現將增速齒輪箱PV納入風力發電機業務，其獨特設計和不斷改良的性能引發了工業界的廣泛興趣和持續關注。
在決定設計之前，Maag認真地考慮了原始設備制造商和風電場運行人員提出的要求，了解了傳動裝置中可能發生的損壞形式。通過這些調查，還掌握到齒輪箱的特殊要求：
在某種程度上還沒有充分了解其高動態載荷驅動系和機架內的軟結構會直接影響傳動裝置風機惡劣的運行條件從這些調查中得出的結論是：齒輪箱的可靠性問題必須通過引進新的、創造性的理念加以解決。
雙支撐行星輪架的扭轉變形在當今的風電齒輪箱中，行星輪系的典型結構是采用銷軸支撐雙壁托架的兩端，該設計方式有時被稱作雙支撐安裝。見圖1。每個行星齒輪處于一個固定的與鄰近行星齒輪相關的位置，形成一個至少在徑向和圓周方向具有相當剛性的排列。
前言：行星輪系的設計挑戰
Maag齒輪有限公司現將增速齒輪箱PV納入風力發電機業務，其獨特設計和不斷改良的性能引發了工業界的廣泛興趣和持續關注。
在決定設計之前，Maag認真地考慮了原始設備制造商和風電場運行人員提出的要求，了解了傳動裝置中可能發生的損壞形式。通過這些調查，還掌握到齒輪箱的特殊要求：
在某種程度上還沒有充分了解其高動態載荷驅動系和機架內的軟結構會直接影響傳動裝置風機惡劣的運行條件從這些調查中得出的結論是：齒輪箱的可靠性問題必須通過引進新的、創造性的理念加以解決。
雙支撐行星輪架的扭轉變形在當今的風電齒輪箱中，行星輪系的典型結構是采用銷軸支撐雙壁托架的兩端，該設計方式有時被稱作雙支撐安裝。見圖1。每個行星齒輪處于一個固定的與鄰近行星齒輪相關的位置，形成一個至少在徑向和圓周方向具有相當剛性的排列。
由此，行星齒輪之間的載荷分配取決于對制造公差和零部件間隙的控制，以此來實現所有嚙合點處的間隙均勻。如圖2所示，某種程度的載荷不均勻是不可避免的。
眾所周知，這種行星架會出現相對不同程度的相對行星軸線扭轉和偏心，程度與行星架的強度和施加的轉矩有關。一個普遍的做法是對行星齒輪的齒面實施前期校正，用以在與施加的轉矩的同一水平上補償這個偏心。但是對于其它的載荷情況，這個前期校正可能小于理想情況。
遵循長期建立的設計慣例能部分地優化這種設計，但不幸的是有時仍然會發現由于偏心而引起的齒輪邊緣損壞，如圖3所示。
遵循長期建立的設計慣例能部分地優化這種設計，但不幸的是有時仍然會發現由于偏心而引起的齒輪邊緣損壞，如圖3所示。
MAAG PV 齒輪箱的設計特性
在認真考慮了所有這些因素以后，Maag 設計采用了行星輪分流，后面再加一級直齒輪傳動。該傳動裝置的運行示于圖4。
在認真考慮了所有這些因素以后，Maag 設計采用了行星輪分流，后面再加一級直齒輪傳動。該傳動裝置的運行示于圖4。
II 級傳動中的齒圈和I級傳動中的行星齒輪由轉子驅動。I 級傳動中傳輸的動力經過分流，一部分被傳輸到隨轉子轉動的行星架。相應的 II 級傳動的設計是為了傳輸另外一部分。按照設計選擇，在I級傳動中達到 35% 的轉矩部分，在II級傳動中達到 65% 的轉矩部分。這種概念的優點在于能減少齒輪的接觸負荷。
所有的關鍵位置都配備有預緊的圓錐滾子軸承。這樣調整的軸承沒有初始間隙，當存在起伏的、反向的或無載荷的條件下能很好地控制軸的運動和齒輪的位置。例如，輸入軸的位置裝有一個大型預緊雙排圓錐滾子軸承，將主軸的彎曲載荷傳遞到支架和框架結構上，從而減少了行星架和齒圈之間的偏心。
需要著重指出的是，每個潤滑點，不管是齒輪的接觸點或者是軸承的支撐，都應帶有強制油潤滑系統。除了將潤滑油供應到每個轉動部件的中心分配系統以外，潤滑系統還應該包含一臺機械驅動泵，以便確保它獨立于外部油泵而單獨供油。
為了進一步地減少負荷，如圖5所示，I級傳動內有5只行星齒輪，II級傳動內有7只行星齒輪，這也區別于雙支撐行星齒輪設計中一般習慣使用的3只或4只行星齒輪。
所有的關鍵位置都配備有預緊的圓錐滾子軸承。這樣調整的軸承沒有初始間隙，當存在起伏的、反向的或無載荷的條件下能很好地控制軸的運動和齒輪的位置。例如，輸入軸的位置裝有一個大型預緊雙排圓錐滾子軸承，將主軸的彎曲載荷傳遞到支架和框架結構上，從而減少了行星架和齒圈之間的偏心。
需要著重指出的是，每個潤滑點，不管是齒輪的接觸點或者是軸承的支撐，都應帶有強制油潤滑系統。除了將潤滑油供應到每個轉動部件的中心分配系統以外，潤滑系統還應該包含一臺機械驅動泵，以便確保它獨立于外部油泵而單獨供油。
為了進一步地減少負荷，如圖5所示，I級傳動內有5只行星齒輪，II級傳動內有7只行星齒輪，這也區別于雙支撐行星齒輪設計中一般習慣使用的3只或4只行星齒輪。
實施所有這些設計措施以后，單個齒輪接觸的載荷得以減少。例如同使用 3 只行星齒輪和動力未做分配的設計相比較，其系數是 3.6。這樣就能使用更小直徑的行星齒輪和更小接觸寬度的齒輪，繼而接觸寬度上的載荷分配得以改善。使用更小直徑的和更窄的行星齒輪能為建立更加小巧和更輕重量的設計提供了良好機會。
使用多個帶有柔性銷結構的行星齒輪
為了分別在I級和II級傳動中實現5只或7只行星惰輪之間的載荷平衡，應該加入一只一般稱作為“柔性銷”的柔性元件。應該指出，在風機齒輪箱中使用柔性銷還不是一個慣常的做法，而在Maag 其在為其它工業設備設計的傳動裝置中，例如水泥磨碎機、軋鋼機、海船驅動和渦輪發電機等已經是普遍成功的應用了。
使用多個帶有柔性銷結構的行星齒輪
為了分別在I級和II級傳動中實現5只或7只行星惰輪之間的載荷平衡，應該加入一只一般稱作為“柔性銷”的柔性元件。應該指出，在風機齒輪箱中使用柔性銷還不是一個慣常的做法，而在Maag 其在為其它工業設備設計的傳動裝置中，例如水泥磨碎機、軋鋼機、海船驅動和渦輪發電機等已經是普遍成功的應用了。
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這個解決方案能固定太陽齒輪和齒圈的徑向位置，而行星齒輪則安裝在柔性銷上。也就是說，每個行星齒輪能在兩個中心齒輪之間的徑向上實現自我調節。除了徑向移動以外，沿圓周方向和平行于行星架的線性移動都是可能的，并能在單個行星齒輪之間達到更均勻的負荷分配，在整個動力的范圍內沒有偏心。以上描述的由于扭轉變形引起的偏心實際上已被消除，對于Maag而言，無須對他們的齒輪進行任何前期校正。
圖7中的圖線表明，對于II級傳動中使用的7只行星齒輪而言，載荷分配系數K-gamma僅大約是1.08（試驗測量值），而對于具有7只行星齒輪的雙支撐行星輪而言，傳統的 K-gamma 系數是1.47. 這就等于在II級傳動中能夠減少設計負荷 27%。
圖7
用于提高行星齒輪工作能力的集成式柔性銷軸承設計
為了增大每一傳動級的柔性銷行星齒輪的功率密度，Maag 同鐵姆肯公司合作從事了一項稱作集成式柔性銷軸承 (IFB) 的設計項目。鐵姆肯公司的集成式柔性銷軸承是一個子裝配件，是由上個世紀八十年代中期他們所進行的“緊湊軌道齒輪”的工程發展而來。該工程在他們的位于北蘇格蘭海灘上的 Orkney 島上的試驗基地的風能團隊的 3MW 風力渦輪機內建有和應用了配備有柔性銷釘的齒輪箱。見圖8。
為了增大每一傳動級的柔性銷行星齒輪的功率密度，Maag 同鐵姆肯公司合作從事了一項稱作集成式柔性銷軸承 (IFB) 的設計項目。鐵姆肯公司的集成式柔性銷軸承是一個子裝配件，是由上個世紀八十年代中期他們所進行的“緊湊軌道齒輪”的工程發展而來。該工程在他們的位于北蘇格蘭海灘上的 Orkney 島上的試驗基地的風能團隊的 3MW 風力渦輪機內建有和應用了配備有柔性銷釘的齒輪箱。見圖8。
柔性銷的設計還有助于補償由于零部件的彈性而引起的傳動裝置的部分內部變形。例如在由于行星架的扭曲引起行星齒輪偏心的情況下，柔性銷就能夠使齒輪的接觸產生某些重新對準。由于柔性銷的剛度是齒輪上施加力的函數，它的變動有助于重新對準的發生。在PV齒輪箱設計中，載荷施加于齒輪中心時的柔性銷的剛度比載荷施加于銷釘的端部的剛度大4倍。換言之，偏斜誤差越大，柔性銷釘的補償柔性也越大。
設計的布置。它由多個零部件組成，以便達到希望的載荷分配特征。雖然外圈同齒輪的集成能夠減少總的直徑，但是鐵姆肯公司的單排圓錐內圈仍然安裝在套筒上。圓錐軸承采用手工裝配達到預緊，裝配件有必要的長度，以便具有所需的柔性，確保足夠的載荷平衡。
設計的布置。它由多個零部件組成，以便達到希望的載荷分配特征。雖然外圈同齒輪的集成能夠減少總的直徑，但是鐵姆肯公司的單排圓錐內圈仍然安裝在套筒上。圓錐軸承采用手工裝配達到預緊，裝配件有必要的長度，以便具有所需的柔性，確保足夠的載荷平衡。
圖10 所示為柔性銷軸承的設計。由于外圈同齒輪的集成以及內圈同套筒的集成，就能夠采用較大直徑的滾子。這樣軸承的工作能力能夠增加 40%，軸承的 L10 增加一個系數 3。使用缺口銷軸（沒有示出其它特殊銷軸的輪廓）的其它特性能夠使柔性銷軸承的設計的總長度縮短，并具有足夠的柔性從而提高行星齒輪間的載荷平衡。
本文作者觀察到，對于典型速度下的風機行星輪系統的柔性銷軸承的運行而言，預緊的圓錐滾子軸承是滾動接觸軸承的首選。預緊設置在軸承制造生產廠進行，通過精確控制使所有集成式柔性銷軸承達到非常一致的彈性。
此外，均勻的預緊能夠減小圓柱軸承或調心軸承常有的游隙差異，更為重要的是這有助于減少偏斜載荷所引起的非對中。其實例示于圖11。
此外，均勻的預緊能夠減小圓柱軸承或調心軸承常有的游隙差異，更為重要的是這有助于減少偏斜載荷所引起的非對中。其實例示于圖11。
作者在圖13所示的試驗室進行了重大試驗，試驗目的在于評定實際的集成式柔性銷軸承的偏斜特性，確認偏斜預測與測量結果的相關性，如圖14所示。
圖15表格來源于一個試驗結果，它表明偏斜模式與施加轉矩呈線性關系，而在所有的載荷水平下齒輪面的偏心實際上是零。在鐵姆肯公司的試驗室對300% 以下的載荷進行了測量，并為Maag試驗室的滿載試驗所證實。
圖15
預/試生產系列傳動裝置試驗
第一套用于 N60 風機的預/試生產系列齒輪箱, 在與NORDEX的協作下已經建成。該裝置必須與現有的裝置進行合并，并須加以驗證。圖16中的第一套兩臺預/試生產系列傳動裝置，在不同的載荷條件下，已在滿載荷試驗臺上進行了認真的試驗。在這些試驗中，對其齒輪載荷、溫度形成和噪聲傳播各方面都給予了充分的關注。在對傳動裝置進行了某些初始的優化工作后，它的優越性就很快地顯現出來。
第一套用于 N60 風機的預/試生產系列齒輪箱, 在與NORDEX的協作下已經建成。該裝置必須與現有的裝置進行合并，并須加以驗證。圖16中的第一套兩臺預/試生產系列傳動裝置，在不同的載荷條件下，已在滿載荷試驗臺上進行了認真的試驗。在這些試驗中，對其齒輪載荷、溫度形成和噪聲傳播各方面都給予了充分的關注。在對傳動裝置進行了某些初始的優化工作后，它的優越性就很快地顯現出來。
為了滿足 Maag 的規范要求,對所有的齒輪接觸模式都進行了仔細的檢查和確認,正如圖17中第2級太陽輪所展現的那樣。
另外，由于主要潤滑點都有潤滑油供應，因此，溫度特牲對軸承、齒輪接觸和總體傳動裝置的影響總是可以控制的。例如，按以下方式控制軸承溫度是可能的，那就是：在最高的軸承溫度和其油池溫度之間，在冷啟動條件下，使其溫差（DT）控制在15 K，而在操作中，控制在 7 K。
同樣，對噪聲的傳播也給予了極大的注意，因為須要證明的是：直齒行星輪傳動裝置也能安靜地運行，這也是所有齒輪箱設計者首先必須關注的。事實上，試驗證明了：噪聲水平都在規定的極限值以下。試驗顯示出：如果所有的直齒輪的設計和安裝都是正確的話，那么，它們都適用于風機齒輪箱。這一點可歸因于PV齒輪箱的以下兩種重要的性能：首先，兩個齒圈中的任何一個齒圈都不是箱體的一個組成部分，箱體阻止了噪聲向環境發出的直接的輻射。其次，集成柔性銷軸承相對于箱體的柔性使齒輪接觸與箱體沒有剛性地接合，柔性銷軸承對行星齒輪嚙合點的振動起到阻尼的作用。
在奧克尼島（Orkney Island）的現場試驗
自從2004年以來，在奧克尼島（80年代中期同樣在此地，風能集團開展了相同的工程, 采用了緊湊的軌道式齒輪箱設計），第一套齒輪已經在Nordex N60中投入使用，見圖18。之所以選擇奧克尼島，是因為那里長期處于苛刻的操作條件。在此，適合于大批量風機的恒定運行是可能的，并且伴有極高的動載荷和極限載荷。在過去近5個月內，平均風速為9.2 m/s，最
同樣，對噪聲的傳播也給予了極大的注意，因為須要證明的是：直齒行星輪傳動裝置也能安靜地運行，這也是所有齒輪箱設計者首先必須關注的。事實上，試驗證明了：噪聲水平都在規定的極限值以下。試驗顯示出：如果所有的直齒輪的設計和安裝都是正確的話，那么，它們都適用于風機齒輪箱。這一點可歸因于PV齒輪箱的以下兩種重要的性能：首先，兩個齒圈中的任何一個齒圈都不是箱體的一個組成部分，箱體阻止了噪聲向環境發出的直接的輻射。其次，集成柔性銷軸承相對于箱體的柔性使齒輪接觸與箱體沒有剛性地接合，柔性銷軸承對行星齒輪嚙合點的振動起到阻尼的作用。
在奧克尼島（Orkney Island）的現場試驗
自從2004年以來，在奧克尼島（80年代中期同樣在此地，風能集團開展了相同的工程, 采用了緊湊的軌道式齒輪箱設計），第一套齒輪已經在Nordex N60中投入使用，見圖18。之所以選擇奧克尼島，是因為那里長期處于苛刻的操作條件。在此，適合于大批量風機的恒定運行是可能的，并且伴有極高的動載荷和極限載荷。在過去近5個月內，平均風速為9.2 m/s，最
高風速達21.5 m/s。
該齒輪箱配有一套在線的狀態監視系統（CMS），如圖19所示，依靠該系統相關的數據，如溫度、振動量和油壓，都可測量到。數據分析到目前為止還沒有顯示性能的改變，并且也沒有出現任何即將損壞的跡象。
為了驗證這一數據，并強化一開始關于齒輪箱可靠性的結論，在2004年8月，進行了現場試驗。在這一試驗中，對齒輪接觸進行了外觀檢查，還對其接觸模式進行了分析。
首先，對直齒輪傳動比值進行了檢驗。在此，對于所有輪齒，在輪齒的全部寬度范圍內，對其均勻而又光亮的接觸模式進行了檢查，見圖20。在該圖中，人們可以看到：在其承受載荷的齒輪側面上，仍舊可辨的機加工表面光潔度非常一致。
首先，對直齒輪傳動比值進行了檢驗。在此，對于所有輪齒，在輪齒的全部寬度范圍內，對其均勻而又光亮的接觸模式進行了檢查，見圖20。在該圖中，人們可以看到：在其承受載荷的齒輪側面上，仍舊可辨的機加工表面光潔度非常一致。
其次，依靠內窺鏡的幫助，對高度受載的行星式二級齒輪進行了檢驗，見圖21。在行星齒輪的全部齒寬范圍內，存在著十分清潔的接觸表面，沒有任何磨損的跡象。機加工表面依然是完整無損，這表明：既沒有任何磨損發生，也沒有過載的情況出現。暗線表示表面有輕微的磨光現象。載荷模式的痕跡是勉強可以辨認的。
太陽輪齒表示的結果與行星齒輪齒的表示結果一樣良好，見圖22。在這些接觸模式中，集成式柔性銷軸承的功能令人留下了非常深刻的印象。由于直齒輪和行星齒輪齒接觸模式正常，齒輪齒磨損損壞應該不會出現。
另外，提取了油樣品。其分析結果表明：傳動裝置中不存在任何磨損。在現場，也對狀態監測系統（CMS）的可信度進行了檢驗。
總之，檢查并未顯示出任何種類的不正?，F象，并支持連續的、無限制的運行。
在德國 Ihlewitz 的現場試驗
從 2004 年 8 月以來，在德國 Ihlewitz 已經安裝了第 2 套齒輪箱。在此，也安裝了一套狀態監測系統（CMS），然而，這套狀態監視系統具有擴大的監測范圍。另外，對上述數據、主軸和發電機軸的扭矩都進行了記錄。從這一附加的資料數據中，有關齒輪箱的剛性和動力學性能就可從中推導出來。在 2005 年四月十五日，依靠內窺鏡的協助，進行了外觀檢查。軸承和齒輪再一次被觀察到處于良好狀態，如圖 23 所示。
總之，檢查并未顯示出任何種類的不正?，F象，并支持連續的、無限制的運行。
在德國 Ihlewitz 的現場試驗
從 2004 年 8 月以來，在德國 Ihlewitz 已經安裝了第 2 套齒輪箱。在此，也安裝了一套狀態監測系統（CMS），然而，這套狀態監視系統具有擴大的監測范圍。另外，對上述數據、主軸和發電機軸的扭矩都進行了記錄。從這一附加的資料數據中，有關齒輪箱的剛性和動力學性能就可從中推導出來。在 2005 年四月十五日，依靠內窺鏡的協助，進行了外觀檢查。軸承和齒輪再一次被觀察到處于良好狀態，如圖 23 所示。
今天，系統所需要的是：它們可以容許其誤差和波動在寬廣區域的操作范圍內存在，而不會使部件損壞，也不會接著發生達到過早失效程度的危險。在開發Maag風電齒輪箱的過程中，需要強調的是：無需過多地、單獨地嘗試和考慮每一種影響，關鍵在于開發的齒輪箱在低應力狀態下，能容許存在一組多樣的載荷條件，并且可靠性增強。而本文提出的齒輪箱概念能實現這一目標，其可靠性和性能已在本文所述的兩套原始的裝置上得到了有效的體現。
