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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的概述論文
第一節(jié) 概述
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件,其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低,遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速,必須通過(guò)齒輪箱齒輪副的增速作用來(lái)實(shí)現(xiàn),故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機(jī)組的總體布置要求,有時(shí)將與風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動(dòng)軸(俗稱大軸)與齒輪箱合為一體,也有將大軸與齒輪箱分別布置,其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)組的制動(dòng)能力,常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置,配合葉尖制動(dòng)(定漿距風(fēng)輪)或變漿距制動(dòng)裝置共同對(duì)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。
由于機(jī)組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處,受無(wú)規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊,常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響,加之所處自然環(huán)境交通不便,齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi),一旦出現(xiàn)故障,修復(fù)非常困難,故對(duì)其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械高得多的要求。例如對(duì)構(gòu)件材料的要求,除了常規(guī)狀態(tài)下機(jī)械性能外,還應(yīng)該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性;應(yīng)保證齒輪箱平穩(wěn)工作,防止振動(dòng)和沖擊;保證充分的潤(rùn)滑條件,等等。對(duì)冬夏溫差巨大的地區(qū),要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn),對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)和潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行遙控。
不同形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不一樣的要求,齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。在風(fēng)電界水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用固定平行軸齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)最為常見(jiàn)。
如前所述,風(fēng)力發(fā)電受自然條件的影響,一些特殊氣象狀況的出現(xiàn),皆可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障,而狹小的機(jī)艙不可能像在地面那樣具有牢固的機(jī)座基礎(chǔ),整個(gè)傳動(dòng)系的動(dòng)力匹配和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素總是集中反映在某個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上,大量的實(shí)踐證明,這個(gè)環(huán)節(jié)常常是機(jī)組中的齒輪箱。因此,加強(qiáng)對(duì)齒輪箱的研究,重視對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。
第二節(jié) 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)必須保證在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并且重量最輕。通常應(yīng)采用CAD優(yōu)化設(shè)計(jì),排定最佳傳動(dòng)方案,選用合理的設(shè)計(jì)參數(shù),選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境極端溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料,等等。
一、 設(shè)計(jì)載荷
齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件,在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷譜是齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。載荷譜可通過(guò)實(shí)測(cè)得到,也可以按照J(rèn)B/T10300標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定。當(dāng)按照實(shí)測(cè)載荷譜計(jì)算時(shí),齒輪箱使用系數(shù)KA=1。當(dāng)無(wú)法得到載荷譜時(shí),對(duì)于三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組取KA=1.3。
二、設(shè)計(jì)要求
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的設(shè)計(jì)參數(shù),除另有規(guī)定外,常常采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,即利用計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算,在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
(一) 效率
齒輪箱的效率可通過(guò)功率損失計(jì)算或在試驗(yàn)中實(shí)測(cè)得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤(rùn)滑油飛濺和攪拌損失、風(fēng)阻損失、其它機(jī)件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。
風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪箱的機(jī)械效率應(yīng)大于97%,是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)。
(二) 噪聲級(jí)
風(fēng)力發(fā)電增速箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為85dB(A)左右。噪聲主要來(lái)自各傳動(dòng)件,故應(yīng)采取相應(yīng)降低噪聲的措施:
1. 適當(dāng)提高齒輪精度,進(jìn)行齒形修緣,增加嚙合重合度;
2. 提高軸和軸承的剛度;
3. 合理布置軸系和輪系傳動(dòng),避免發(fā)生共振;
4. 安裝時(shí)采取必要的減振措施,將齒輪箱的機(jī)械振動(dòng)控制在GB/T8543規(guī)定的C級(jí)之內(nèi)。
(三) 可靠性
按照假定壽命最少20年的要求,視載荷譜所列載荷分布情況進(jìn)行疲勞分析,對(duì)齒輪箱整機(jī)及其零件的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動(dòng)力學(xué)分析等。分析方法除一般推薦的設(shè)計(jì)計(jì)算方法外,可采用模擬主機(jī)運(yùn)行條件下進(jìn)行零部件試驗(yàn)的方法。
在方案設(shè)計(jì)之初必須進(jìn)行可靠性分析,而在施工設(shè)計(jì)完成后再次進(jìn)行詳細(xì)的可靠性分析計(jì)算,其中包括精心選取可靠性好的結(jié)構(gòu)和對(duì)重要的零部件以及整機(jī)進(jìn)行可靠性估算。
第三節(jié) 齒輪箱的構(gòu)造
一、齒輪箱的類型與特點(diǎn)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類很多,按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪增速箱、行星增速箱以及它們互相組合起來(lái)的齒輪箱;按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)齒輪箱;按照轉(zhuǎn)動(dòng)的布置形式又可分為展開(kāi)式、分流式和同軸式以及混合式等等。常用齒輪箱形式及其特點(diǎn)和應(yīng)用見(jiàn)表.20.1-1。
(表20.1-1 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的主要類型和特點(diǎn))。
二、齒輪箱圖例
(各種齒輪箱圖例如圖20.1 ~ 20.7 所示)。
第四節(jié) 齒輪箱的主要零部件
箱體結(jié)構(gòu)
箱體是齒輪箱的重要部件,它承受來(lái)自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反力,必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用,防止變形,保證傳動(dòng)質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)應(yīng)按照風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力傳動(dòng)的布局安排、加工和裝配條件、便于檢查和維護(hù)等要求來(lái)進(jìn)行。應(yīng)注意軸承支承和機(jī)座支承的不同方向的反力及其相對(duì)值,選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚,增設(shè)必要的加強(qiáng)筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。
箱體的應(yīng)力情況十分復(fù)雜且分布不勻,只有采用現(xiàn)代計(jì)算方法,如有限元、斷裂力學(xué)等方法輔以摸擬實(shí)際工況的光彈實(shí)驗(yàn),才能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出應(yīng)力分布的狀況。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),可以獲得與實(shí)際應(yīng)力十分接近的結(jié)果。
采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減振性,易于切削加工等特點(diǎn), 適于批量生產(chǎn)。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強(qiáng)度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體,可使其重量較鑄鐵輕20%~30%, 但從另一角度考慮,輕合金鑄造箱體,降低重量的效果并不顯著。這是因?yàn)檩p合金鑄件的彈性摸量較小,為了提高剛性,設(shè)計(jì)時(shí)常須加大箱體受力部分的橫截面積,在軸承座處加裝鋼制軸承座套,相應(yīng)部位的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風(fēng)電機(jī)組尚用鋁合金箱體外,大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱應(yīng)用輕鋁合金鑄件箱體已不多見(jiàn)。
單件、小批生產(chǎn)時(shí),常采用焊接或焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機(jī)械加工過(guò)程和使用中的變形,防止出現(xiàn)裂紋,無(wú)論是鑄造或是焊接箱體均應(yīng)進(jìn)行退火、時(shí)效處理,以消除內(nèi)應(yīng)力。
為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況,在箱體上應(yīng)設(shè)有觀察窗。機(jī)座旁一般設(shè)有連體吊鉤,供起吊整臺(tái)齒輪箱用。
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