外制动回转差动行星齿轮箱的研制及应用

外制动回转差动行星齿轮箱的研制及应用

孙恒

江苏南京210000

摘要：风力发电机组总体结构一般都建在大海或高山上。由于风能是随机的，风电机组受到的负载也是随机负载，加上运行环境的变化，造成风机齿轮箱运行不良，故障频繁，对风机齿轮箱的稳定可靠运行受到影响。齿轮箱是否可靠影响整个系统的正常运行，因此设计可靠的齿轮箱尤为重要。

关键词：行星齿轮箱；设计；故障识别

前言

行星齿轮箱作为传动系统中的关键部件在风力发电机组中应用广泛。风力发电机组的工作环境造成行星齿轮箱承受动态重载负荷且运行工况变化频繁，存在多种因素容易导致行星齿轮箱的太阳轮、行星轮及齿圈形成点蚀、脱落及裂纹等局部故障。局部故障最终导致齿轮箱失效，造成损失。因而有必要对行星齿轮箱的研制及应用过程中局部故障识别进行研究。

1齿轮箱结构设计

1.1设计部件概述

以齿轮箱中的行星架为例，对其进行设计研究，利用CAE技术进行处理，引入拓扑优化理论，以确保在给定设计域范围内，达到边界条件要求，获得轻量化结构，以便于后期加工制造。基于齿轮箱特点，其结构工艺特征主要包括铸造壁厚与凸台等，其要具备较强的刚性，能够承受力与力矩的作用，避免发生变形，确保传动质量。

1.2构建初始几何模型

在设计对象界面，来选择功率分流型，行星架材料选用QT700-2A，将输入额定转矩预设为5.18×109N·mm，将输出额定转速预设为12.17r/min，将许用扭转变形设置为0.5°/m，将各类齿轮相关参数导入到几何模型中，比如零件Z1齿数为33、模数为20mm、齿宽420mm、个数1等，利用软件计算，能够获得行星架模型，其总长是680mm（不包含凸缘）。

1.3优化设计

利用HyperWorks开发系统，对行星架，进行拓扑优化设计，构建优化模型，并且进行求解，提取密度云图，通过人机交互设计，能够获得行星架结构设计方案。利用开发系统，能够自动提取相关数据，并且完成具体评价。其材料屈服压力是380MPa，基于GL规范，其中安全因子取值为1.5，许用应力是253.33MPa，最大应力值是11.50MPa，最大变形位移是0.7323mm。基于相关条件，能够计算得出壁板直径是1900mm，扭转刚度能够达到相关要求。利用软件计算，行星架转速是39.46r/min，转动频率能够达到设计标准，此方案能够达到评价标准。

1.4设计效果分析

基于结构优化理论，利用有限元法，通过CAD与CAE软件，进行结构设计分析与优化，极大程度上能够改善齿轮箱箱体性能，比如静态特性，能够支持轻量化设计，能够在减少前机体质量的前提下，提升刚质比，实现优化设计目标。

2齿轮箱的设计过程

风电齿轮箱在设计之前首先要与客户进行技术方面的沟通，了解齿轮箱内部的齿轮、轴承、其它主要零件以及外部连接的主要件有没有特殊的要求，然后根据用户提供的外形尺寸图或者技术规范进行方案设计，确定具体的传动结构，风电齿轮箱一般采用行星级+平行级混合的型式，有的客户会直接指定传动方案，确定传动结构后就开始选取齿轮参数及轴承型式，齿轮参数的计算需要根据用户提供的疲劳载荷和极限载荷分别进行疲劳强度和静强度计算，轴承型式的选取主要根据结构的布置和寿命、应力的计算进行选择，选型时可以与轴承厂家商议进行；轴径粗选后要进行轴的结构设计和强度计算，计算过程中要保证齿轮、轴承、轴的20年使用寿命。在主要零件都确定后，就要对箱体进行结构设计，设计过程中需要注意箱体的结构强度，箱体的加工工艺性和铸造工艺性以及美观性，其中箱体的结构强度通过有限元分析确保它的疲劳强度和静强度，加工工艺性和铸造工艺性需要相关的冷加工和铸造工艺专业人员进行评审，确保在加工和铸造过程中不会出现依据现有水平难以完成的工序。整个齿轮箱设计完成后，为了确保其装配性，还要对齿轮箱进行装配工艺的评审，保证各个零件的可装配性。

3齿轮箱的加工、装配、试验

施工图纸设计完成后，工艺人员要根据图纸要求制定齿轮箱每个零件的加工工艺路线，并绘制工序图，机床根据绘制的工序图对每个工序进行加工，并进行检验。零件加工检验完成后要进行装配，工艺人员根据图纸制定装配工艺，分部件装配和总装配，为保证装配的正确性，可制定装配工艺看板，装配工人根据看板上的内容一步步进行安装，保证产品装配过程的正确性、完整性和清洁程度。在产品安装完成后，工艺人员要根据试车大纲编制试车工艺，进行空载、负载和超载试验，试验过程中要对轴承温度、油温、油压、液位、振动、噪音、齿面接触斑点、渗漏油、转速、扭矩进行全程监测，试车时间要根据齿轮箱达到热平衡时间进行确定。试车过程中出现的任何问题都要及时解决。在试车完成后，如果是样机试验，需要进行拆箱检查所有的零件，确保每个零件的完好性。如果出现缺陷，要及时改进，改进之后要进行进一步的验证。

4行星齿轮箱应用过程中多域流形故障识别机理

行星齿轮箱局部故障识别旨在对其局部故障的起因及变化规律进行研究，揭示故障类别及零部件的损伤过程。由于行星齿轮箱主要由太阳轮、行星轮、齿圈和行星架等构成，各组成部分间的运动及振动存在着相互影响，这必然使得局部故障对于整个箱体运行状态的影响包含繁杂的耦合性成分。时域信号为在不同时刻测量到的状态参数，在进行信号分析时显得直观，易于理解和实现。当行星齿轮箱发生局部故障时，振动信号在时域的幅值与相位会偏离正常状态。但仅仅做时域分析，所获得的齿轮箱工作状态信息是有限的，常常只能判断运行状态的正常与异常，对于异常状态的类别、发生位置及原因很难给出有效的判断。频域分析需要对时域信号进行傅里叶变换完成从时域到频域的转化。信号频域信息包含了频率、幅值及相位等内容，行星齿轮箱振动信号频谱结构复杂，包含了丰富的频率信息，且不同故障条件下的频谱幅值和分布也会发生变化，为进行齿轮箱运行状态的判断提供了更丰富的依据，但频域分析不能准确反映信号能量在空间各尺度的分布规律，且在故障早期阶段仅通过时域和频域分析很难识别故障模式。当故障或异常运行状态发生时，被测振动信号常为非线性信号，基于单分量的瞬时幅值能量分析可以弥补时域及频域分析的不足，为进一步研究齿轮箱运行状态提供了更完整的信息。对齿轮箱振动样本信号的多域分析必然导致样本空间的维数增加。通常齿轮箱运行状态信息分布于嵌入在多域高维空间中的非线性低维流形上，因而有效实现多域高维空间构建、降维及提高识别性能是进行行星齿轮箱局部故障识别的重要任务。基于多域流形的行星齿轮箱局部故障识别模型主要分为四个步骤：信号采集、特征提取、降维和模式识别。

结束语

齿轮箱是风电设备的关键部件，其性能要求较高，要准确计算齿轮参数，从强度与动力学等角度，综合分析齿轮传动系统，做好齿轮应力分析，做好校核处理，确保风机运行的稳定性。

参考文献

[1]董惠敏，韩孟克，邱俊，王德伦，梁世文，贾平.风电齿轮箱结构设计流程自动化系统研发[J].机械传动，2017（02）：152～156+164.

[2]毛范海，韩孟克，董惠敏，闫瑞志，陈凤艳，王德伦.一种兆瓦风电齿轮箱前机体结构轻量化设计[J].机械传动，2015（11）：50～53.