—如何避免作用于齒輪箱和軸承的不良載荷

1 前言
　　長期以來，齒輪箱技術在風電機組開發過程中一直是主要的研究領域。在此過程中，齒輪箱開發呈現出不同的趨勢。最初，應用于風能產業的齒輪箱是對原來工業齒輪箱向重量輕、體積小方向改進。但是隨著損壞索賠數量的增多以及多年運行經驗的積累，齒輪箱的設計重新趨于保守，焦點轉向安全系數。
　　開發過程中的一個重要步驟是要準確分析實際作用于齒輪箱的載荷，并且增加載荷計算的精確度。作用于風電機組齒輪箱上典型的重要載荷包括這樣幾個方面：一是源自轉子的載荷，這種載荷方向改變很快；二是由主機架和塔架構成的齒輪箱軟支撐引起的載荷；三是由電網引起并通過發電機傳給齒輪箱的瞬時劇烈波動載荷。如下理論已成為現代齒輪箱的研究基礎：即除了調整齒輪箱設計，當今設計亦考慮通過增加剛性措施來平衡確定的載荷，例如，采用加固結構或高強度材料。然而，對齒輪箱零件采用更堅固的新材料，以及改善齒輪箱內的載荷傳輸，都只是改進設計中的一小部分。一個關鍵問題仍然存在，就是齒輪箱設計者能否針對潛在載荷找出單獨應對風電機組復雜載荷問題的解決方案。
　　2 齒輪箱和軸承保護的新方案
　　基于對不同載荷何時以及如何作用于風電機組的全面深刻理解，當今的風電機組設計師可以通過優化整個傳動鏈，最大限度地減小載荷對齒輪箱的影響。而且，僅通過結構設計就可以改善作用于齒輪箱上的載荷。
　　 對于PowerWind 90 2.5MW風電機組的開發，PowerWind的工程師就選擇了這種方法。工程師們站在風電機組制造商的角度一直在考慮如何減少與風電機組有關的載荷事件，即怎樣設計風電機組才有利于預防或者減少相關的不良載荷。
　　 基于最新的研究成果和在此領域多年的設計經驗，PowerWind工程師使用現代模擬方法，例如多體模擬和通過有限元對整個傳動鏈進行非線性計算，成功開發了一種新的齒輪箱和軸承保護方案。
　    重點放在主機架的優化和齒輪箱支撐的改進。實現了以下幾個關鍵的子目標：
    。控制主要的齒輪箱載荷
    。減少次要的齒輪箱載荷
    。改進主機架的承載特性
 

3 控制主要的齒輪箱載荷
　　所謂主要載荷是指直接影響風電機組的載荷，這些載荷由轉子傳遞的風能產生。轉子載荷必須要傳遞給塔架并最終到達基礎—無論傳動鏈是傳統的帶主軸和主軸承的方案還是轉子后直接連接齒輪箱的方案。除了發電所需要的扭矩，風還會持續產生方向不斷改變的彎矩和剪切力，風電機組必須吸收并承受這些載荷。．這些多余的載荷要比用于發電的扭矩載荷高出許多倍。
　    多年以來，Allianz技術中心一直定期舉行“專家日”活動，研究與風電機組齒輪箱有關的各種載荷及其損壞形式。這些”專家日”形成的文章概括了對常用的三點支撐傳動鏈（圖1）的研究成果。
　　主軸軸承和兩個扭力臂支撐用來吸收轉子載荷。但載荷在傳遞到扭力臂支撐之前，不得不先從主軸進入齒輪箱，并在齒輪箱內部傳輸。齒輪箱實際上相當于第二個主軸軸承。對于這種方案，主軸的動態大幅運動和變形直接傳入齒輪箱。如果設計有缺陷并且軸承游隙不足，會導致齒輪傳動系統出現無規律的受載損壞特征。為了防止這一主要載荷危害齒輪箱，在主軸上使用第二個主軸承，以最有效的方式確保承載安全《圖2)。
　　不像以往風電機組設計在其齒輪箱和主軸承之間留有較大的距離，PowerWind 90的第二個主軸承布置得與齒輪箱盡可能近，這樣可以吸收那些若沒有第二個主軸承將直接傳入齒輪箱的轉子載荷。由于在齒輪箱側的這個第二個主軸承在這個傳動鏈系統中是固定軸承，它同樣可以在軸向載荷到達齒輪箱之前直接將其吸收。類似地，它也可以防止因諸如主軸的熱脹冷縮效應對齒輪箱產生影響。
　    與無主軸的集成傳動鏈相比，這種方案仍有優勢。如果是集成傳動鏈，齒輪箱輸入軸同時起轉子軸承的作用。這只能借助于復雜的預緊錐軸承或者三排滾子轉環來實現。此外，齒輪箱殼體不得不吸收更大部分的轉子載荷。而前述的傳統雙主軸承方案使用的是調心滾子軸承，由于這種軸承可以旋轉，在主軸承處不可能產生約束力。
　　4 少次要的齒輪箱載荷
　　第四個支撐點的引入導致傳動鏈系統的靜不定。在靜不定系統中，載荷是依據系統的剛性來分布的。剛性區域“吸引”載荷，柔性區域“避開”載荷。這對于風電機組的傳動鏈也同樣適用。

 因此，一方面，在齒輪箱的輸入軸處，必須避免那些被歸入次要載荷的有害的約束力和變形應變；另一方面，必須借助于軸承處的剛性調整，隨時提供所需的軸承支撐載荷。為確保二者均能實現，PowerWind日口的齒輪箱采用了液壓支撐《圖3).
　    液壓軸承的基本特點是可以針對軸承豎直和扭轉方向的運動設定不同的軸承剛性。因此，與扭矩傳輸所必需的扭轉剛性相比較，豎直方向剛性可以設定得更小。
　    豎直支撐的剛性設定得更小，使齒輪箱避免了不利的約束力。事實上，此時齒輪箱會隨著主軸做微小運動。同時，由于主軸承的剛性比齒輪箱軸承的剛性大很多，主要的轉子載荷都傳到了主軸承上。
　　除了轉子載荷，由于主機架的變形而引起的約束載荷也會影響齒輪箱。但由于采用了液壓軸承，齒輪箱也可以避免這些次要載荷。

5 改進主機架的承載特性
　    有關主機架剛性太差從而對齒輪箱和軸承產生負面影響的問題，在風能技術的最新狀態報告中已有論述。為了改進主機架的變形特性，PowerWind進一步優化了主機架的空間承載特性。迄今為止，風電機組的主機架在發電機支撐連接端都使用開式結構。而PowerWind 90第一次引入閉式頂部結構。基本原理是將塔架的管狀截面擴展到鑄造主機架，此管狀截面在剛性和材料使用方面均進行最優設計。盡管有必需的零件裝配空間要求，閉式截面還是實現了。與開式截面（圖4）相比，閉式截面（具有同樣壁厚和直徑）的剛性要高得多。作為吸收風電機組載荷最重要的零件，剛性更高的主機架有著巨大的優勢。
    環形格子支撐與主機架壁一起形成塔架載面的擴展部分，從而實現了主機架截面的封閉。進而，將后主軸承連接點連在一起亦增加了主機架剛性。這樣，在保持零件尺寸和重量相同的情況下，極大地減少了齒輪箱的損壞和軸承的變形，部件內的應力分布也能夠設計得更加均勻（圖5)。
　　在設計過程中，必須注意使主機架不扭曲，并避免齒輪箱的兩個連接點受到相對變形的影響。盡管源自轉子的載荷不對稱，主機架左右兩側的變形分布卻非常規則并且在主機架上是對稱的。總而言之，整個機架變形是非常均衡的，在主機架的前后端沒有顯著的差異。
　　 這還帶來了另外一個好處：除了降低齒輪箱連接處的相對變形，還實現了偏航軸承的載荷均布。通常，風電機組制造商向軸承制造商提供軸承設計所必需的載荷。如果軸承制造商沒有獲得軸承表面極限和工作載荷分布的資料，他們就使用常規的正弦載荷分布。然而，由于局部變形，對變形敏感的主機架無法使載荷均布在塔架軸承表面。事實上對于管狀鋼質塔架，在彎矩作用下其壁內應力軌跡確呈正弦分布，但開式主機架實
 

質上相當于一個巨大的但開槽的管狀截面。也就是說，它不是管狀，局部峰值載荷便會經塔架較大柔性區域傳至偏航軸承。因此，這些區域實際受到的載荷遠大于理論假定的載荷，而軸承其他區域所受的應力較小。這些偏航軸承處增加的多余載荷很難確定，但它會很快導致軸承發生初始破壞，這些破壞往往是偏航軸承損壞的罪魁禍首。由于閉式主機架尺寸穩定，載荷會更好地傳至塔架軸承，從而保護了偏航軸承《圖6).
　　6小結
　　改進齒輪箱的方案和采用更堅固的材料只是實現齒輪箱內載荷更好傳輸的手段之一。基于對影響風電機組載荷的作用時間和類型的全面理解，風電機組工程師可以通過優化傳動鏈最大限度地減小作用于齒輪箱的載荷。通過使用現代模擬工具，PowerWind工程師成功地為PowerWind 90 2.5MW風電機組開發了一種先進的齒輪箱和軸承保護方案，該方案極大地延長了齒輪箱的工作壽命，不僅顯著地降低了整體運行成本，而且
極大地提高了風電機組的可靠性。該方案包括：在靠近齒輪箱位置布置第二個主軸承，用于控制主要轉子載荷；對齒輪箱采用液壓支撐，用于減少次要載荷；使用抗扭主機架，從結構上降低齒輪箱的載荷。這不僅減少了齒輪箱的載荷，還改善了作用于偏航軸承的載荷。通過全功率變流器，現代電子技術方案實現了機械齒輪箱的保護。不像非全功率變流器，全功率變流器可將傳動鏈從電網完全分離，以免齒輪箱受到電網的影響。