风机齿轮箱介绍

周黎明 齿轮箱结构： 1 、一级行星两级平行级 2 、两级行星一级平行级 3 、带主轴齿轮箱 4 、紧凑型齿轮箱（半直驱齿轮箱） 齿轮箱与主轴联接方式： 1 、收缩盘联接 2 、法兰联接 齿轮箱与电机联接方式： 1 、键联接 2 、收缩盘联接 齿轮箱固定方式： 1 、弹性支持轴联接 2 、方块联接 行星轮系是只具有一个自由度的轮系，一个原动件即可确定执行件的运动。原动件通常为中心轮（风电齿轮箱中一般指太阳轮）或者系杆（风电齿轮箱中一般指行星架），即与行星轮直接接触的中心轮或系杆作为原动件带动行星齿轮，一方面行星轮绕着自身的轴线自转， 另一方面行星轮又随着系杆（行星架）绕一固定轴线回转。 行星轮系和差动轮系统称为周转轮系 一个周转轮系由三类构件组成：一个系杆（行星架）、 一个或几个行星轮（目前主要为三个行星轮， 部分载荷大的为四个行星轮，带柔性销的可具有更多的行星轮）、一个或几个与行星轮相啮合的中心轮（目前主要为两个，一个太阳轮，一个齿圈） 行星轮系中，两个中心轮有一个固定（目前常见的为齿圈固定）；差动轮系中，两个中心轮都可以动。目前国内外常见的风电齿轮箱主要为行星轮系结构，但也有部分厂家选用的为差动轮系。行星轮系相对平行轴系的优点：结构紧凑、 体积小、质量小、承载能力大、噪音小等；行星轮系相对平行轴系的缺点：结构复杂、 加工要求高、 装配要求高等。 该种结构主要用于 2MW 以及 2MW 以下功率的风电齿轮箱，用一组平行级代替行星级，可靠性高，但体积与重量大 该种结构主要用于 2.5MW 以上功率的齿轮箱，承载能力强，体积小，重量轻，直径小但横向长。部分 2MW 以下齿轮箱也采用了该种结构 主轴安装在齿轮箱内部 通常也叫半直驱齿轮箱，半直驱是兼顾有直驱和双馈风电机的特点。与双馈机型比，半直驱的齿轮箱的传动比低；与直驱机型比，半直驱的发电机转速高。这个特点决定了半直驱一方面能够提高齿轮箱的可靠性与使用寿命，同时相对直驱发电机而言，能够兼顾对应的发电机设计，改善大功率直驱发电机设计与制造条件。 半直驱齿轮箱的一个发展趋势，这种半直驱齿轮箱与电机设计成一体，以降低齿轮箱重量，但对于齿轮箱的设计要求提高。 1 、收缩盘联接 2 、法兰联接 一般用于 3MW 以下机型无法满足更大功率机型的需求 可用于更大功率机型 1 、键联接 2 、收缩盘联接 1 、弹性支持轴联接 2 、方块联接 一般风电齿轮箱铭牌包含以下信息： 1 、型号 - 齿轮箱型号； 2 、功率 - 额定状态下齿轮箱的运行功率，非风机（发电机）功率； 3 、速比 - 齿轮箱的输出转速与输入转速的比值； 4 、输入转速 - 额定状态下齿轮箱行星架的输入转速（叶片转速）； 5 、输出转速 - 额定状态下齿轮箱高速轴的输出转速（发电机转速）； 6 、重量 - 一般指齿轮箱出厂前的重量，不含润滑油，可能含收缩盘（如果发货时不含收缩盘，显示的重量则不含收缩盘）； 7 、润滑油型号 - 推荐的润滑油牌号，只有设计认可的润滑油才允许使用；同时，也是齿轮箱出厂前试验所用的润滑油牌号，更换其他允许的润滑油须经过一系列清洗； 8 、润滑油量 - 齿轮箱设计的润滑油量，能够满足齿轮箱正常运行。 9 、序列号 - 齿轮箱唯一的编号，通过编号可以查到齿轮箱制造过程的数据； 10 、生产日期 - 齿轮箱的制造日期 润滑油由基础油以及不同种类的添加剂调和而成。根据基础油的不同，润滑油可分为矿物油和合成油。合成油是合成基础油和添加剂调和而成。合成基础油：指采用化学原料，在添加剂条件下使用化学方法生成的基础油。矿物基础油：从原油中蒸馏、精制、脱蜡、加氢等生产工艺。 通常，由于合成基础油的分子结构单一，纯净，可根据性能要求设计不同的分子结构。因此，合成润滑油的性能远优于矿物油，主要原因是合成基础油的性能远优于矿物基础油，但价格也相对较高。 风电齿轮箱常用合成基础油油 :PAO （聚 烯烃）， PAG （聚醚）等。 添加剂分为：表面保护添加剂：抗磨和极压、减摩剂、抗微点蚀 / 抗点蚀、抗蚀防锈等； 流体保护添加剂：抗氧钝化剂、抗泡剂等； 性能改进添加剂：粘度改进剂、降凝剂、抗 乳化等 目前推荐使用的润滑油牌号主要有： Mobilgear SHC XMP 320Optigear Synthetic X320 注：对于不同牌号的润滑油（包括同一品牌不同牌号的润滑油），不允许混加，必须将齿轮箱内部残油清理干净后才可以加入其它牌号的润滑油。 外观、粘度、总酸值、水份、金属元素分析、 PQ 磨损指数、磨粒铁谱分析、清洁度等。目前风电行业推荐的润滑油更换周期是三年。 依据 ISO4406 标准，对风电齿轮箱润滑油进行检测，检测有在线检测和离线检测两种方式，采集油样点为过滤器之前（此时的油样为油池油样）。风电齿轮箱润滑油清洁度要求：至少为 ISO 4406 15/12 ，具体指标见下图。 一级行星两级平行级 a 、扭力臂 b 、箱体 主要观察行星级，包括齿圈，行星轮，太阳轮以及行星轮轴承 主要观察平行级，包括高速轴、齿轮、中间轴、大轮以及平行级轴承 风电齿轮箱除了机械件外，还有一些外部附件，譬如电气附件，以其自有的功能支撑齿轮箱的良好运行。以下列出了风电齿轮箱的常用外部附件，不同的齿轮箱可能会有部分差异。 1 、润滑冷却系统 2 、机械泵 3 、压差开关 4 、压力传感器 / 压力开关 / 压力表 5 、接线盒 6 、加热器 7 、温度传感器 8 、液位报警器 9 、液位计 10 、空气滤清器 11 、电缆 1 、用途：润滑油的主要功能为润滑（形成油膜，减噪、吸振、减少摩擦等）、冷却（热量传导，降低齿轮轴承温度）、清洁（带走污染物） 以及保护（防止腐蚀） 。综上所述，源源不断的、干净、适宜温度的润滑油能够很好的提升齿轮、轴承的可靠性， 提高齿轮箱的运行寿命。润滑冷却系统主要就是针对上述要求设计的。润滑系统能够提供源源不断的润滑油； 过滤器能过过滤润滑油液中的杂质，洁净润滑油；冷却系统能够降低润滑油的温度。 2 、结构：润滑冷却系统分为润滑系统、冷却系统以及传感器。润滑系统：吸油管、电机泵、电机、 过滤器、连接阀块、 温控阀以及相应的连接胶管，部分齿轮箱的设计包含机械泵； 冷却系统：分为风冷和水冷。目前风电齿轮箱上用的比较多的为风冷， 风冷包括风扇、电机以及相应的连接胶管； 传感器：包括压差开关、压力传感器、压力开关等。 1 、通过电机泵以及机械泵（齿轮箱转动时运行）将润滑油从齿轮箱油池吸出，润滑油经过滤器后到达温控阀。 2 、温控阀能够根据通过的润滑油油温来自动控制润滑油的流向。当通过的润滑油油温低于 45 C 时，润滑油直接进入齿轮箱 ( 由于此时的润滑油温度较低，不需要进行冷却 ) ；当通过的润滑油温高于 45 C 时，温控阀阀芯开始动作，此时的润滑油部分直接进入齿轮箱，部分通过冷却系统进入齿轮箱；当通过的润滑油温高于 60 C 时，温控阀阀芯完全关闭，此时的润滑油完全通过冷却器进入齿轮箱（此时的润滑油温度较高，须经冷却后才能进入齿轮箱）。 3 、当油池温度高于 60 C或者高速轴轴承温度高于70 C 时，风扇低速开始启动，当油池温度高于 65 C 或者高速轴轴承温度高于 80 C 时，风扇高速开始启动。对于双速电机，风扇高速时的冷却功率高于风扇低速（部分冷却系统只使用单速电机）。 4 、目前风电齿轮箱的过滤器通常是双精度过滤，包含粗滤（通常为 25um 或者 50um ）和精滤（ 10um ）。在低温状态下，润滑油的粘度较高，滤芯上的单向阀打开（即润滑油的压力超过单向阀的压力值），润滑只经过粗滤；当油温温度较高时，油压较低，滤芯上的单向阀关闭（即润滑油的压力小于单向阀的压力），润滑油经过精滤。滤芯的更换周期不超过一年，如果期间压差开关报警显示滤芯堵塞，则须立即更换滤芯。部分风机会在齿轮箱上额外增加离线过滤系统，离线过滤 5 、溢流阀在低温状态下，由于润滑油的粘度较高，电机泵出口处的润滑油压力非常大，如果进入过滤器会对过滤系统造成损害。因此，在电机泵出口处设计一个溢流阀，溢流阀直接连接齿轮箱，当电机泵出口处的润滑油压力超过溢流阀的压力时候（假定12bar ），那么润滑油会直接从溢流阀进入到齿轮箱内部（这个进入齿轮箱内部是直接流回齿轮箱油池，不是通过油路分配器进入）。 6 、当油液或者润滑系统中有气泡时，气泡通过油路系统进入齿轮啮合区或轴承滚动区时，会对齿轮与轴承造成损坏，因此需要通过透气线将系统中的气泡排出。 通过齿轮箱齿轮的旋转带动机械泵输入轴的旋转，将润滑油从齿轮箱油池内吸出，经过滤器过滤后进入到齿轮箱内部。与电机泵相比，机械泵的运行不受电的影响，只要齿轮箱处于运转状态，机械泵就一直工作。即使风机断电，齿轮箱仍有润滑。 1 、用途：用于测量齿轮箱过滤器滤芯两侧润滑油的压力差。 2 、工作原理：当滤芯在吸纳润滑油中污物颗粒的时候，滤芯两侧的润滑油压力会逐步增大。当压力增大到设定值（压差开关的设定值），压差开关启动。风机维护人员须立即更换或者清洗滤芯（部分厂家的粗滤可以清洗，精滤须更换）。部分压差开关带警报功能，譬如在达到设定压力的 75% 时，进行报警，在达到设定压力时，开关断开。 1 、用途：齿轮箱在正常运行时（流量充足且温度适宜），齿轮箱的进油压力较高，此时，齿轮箱得到充分的润滑。当齿轮箱出现异常，譬如流量不够（部分地方漏油或者电机泵出现损坏）、温度过高（润滑油未经冷却器冷却或冷却器冷却功率下降）等，都会对齿轮箱的润滑造成影响，进而影响齿轮箱的寿命。而上述异常状况最直接的体现就是齿轮箱总的进油压力过低。压力传感器 / 压力开关 / 压力表就是用于测量齿轮箱总的进油压力。 2. 功能压力传感器 / 压力开关 / 压力表安装在齿轮箱的油路分配器上（齿轮箱总的进油口处）。压力传感器用于测量齿轮箱总的进油压力，传递给系统的是测得的压力值。压力开关则是当齿轮箱总的进油压力低于设定值时（一般为 0.8bar 或者 1bar ），压力开关断开，齿轮箱停机，进而保护齿轮箱。压力表是机械可读式仪表，可以直接通过肉眼读得齿轮箱总的进油压力。 1 、用途：将齿轮箱上的所有电气元件通过电缆线连接到接线盒里的接线端子上，主机厂再通过电缆线将接线盒的端子连接到控制系统或者电源上。 2 、分类接线盒按功能可以分为强电盒与弱电盒。强电盒内连接的为高电压电气件，包括油泵电机、风扇电机以及加热器；弱电盒内连接的为 24V 低电压电气件，包括温度传感器，压力传感器，压力开关，液位开关等。 3 、结构接线盒一般由以下部分组成 a 、壳体 -IP 防护等级 54 以上 （ IP 等级为防尘防水等级） b 、接线端子 - 由于电流是通过接线端子、电缆再到各电气件，因此，接线端子的耐压等级须等于或高于电气件的电压； c 、电缆锁紧头 - 在锁紧电缆的前提下 IP65 以上，这就要求所选用电缆锁紧头匹配电缆线的外径。 d 、接线图 - 一般贴在壳体面板里面，整合了齿轮箱所有电气件的接线图，用于用户接线以及后续维修； e 、其他附件 - 警示标贴、壳体面板螺栓。 1 、用途：用于低温型风机，当风机在低温状态下启动时（ -30 ），油池内的润滑油粘度非常高，润滑油近乎固体状态。在这种工况下，齿轮箱的润滑系统无法进行工作。加热器的作用就是对齿轮箱油池的润滑油进行加热。 2 、工作原理：电加热器 ( 电加热管 ) 是以金属管为外壳，沿管内中心轴向均布螺旋电热合金丝 ( 镍铬，铁铬合金 ) 。金属管与电热合金丝之间的空隙填充具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，管口两端用硅胶或陶瓷密封。通过加热电热合金丝将温度传递到加热器外壳，进而加热外壳周围的润滑油。 3 、接线方式加热器根据结构的差异一般有两种接线方式，两相三线制和三相四线制。 4 、安装方式 a 、法兰联接电加热器的加热芯通过加热芯的法兰与外壳联接， 再通过外壳的法兰与齿轮箱进行联接。因此，当加热器的内部电热元件出现损坏时， 由于不需要更换外壳，可以不用将齿轮箱的润滑油放出，直接更换加热器的加热芯。 b 、螺纹联接 1 、用途：用于测量齿轮箱进油、油池以及轴承的温度。 2 、工作原理：风电所用的温度传感器一般为铂热电阻，又称PT100，PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆。 PT100 是利用铂丝在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。它的受热部分（感温元件）是用细铂丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。 3 、结构 工作温度 -30 C 到 45 C; 2 、低温启动过程由于低温状态下润滑油粘度较高，近乎固体状态。因此，齿轮箱低温状态下启动必须严格按照规定的程序执行。具体规定如下：