CN103791036A - 轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电齿轮箱技术领域，一种轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱，包括箱体与四级行星轮系，所述箱体包括法兰、及顺次联接的第一、二内齿圈、第三内齿圈、中箱体、第四内齿圈与主箱体，其特征在于：输入轴用第一密封轴承支承在法兰内孔；第一行星轮用第二密封轴承支承在第一星轮轴上；第二行星轮用第三密封轴承支承在第二星轮轴上；第三行星轮用第四密封轴承支承在第三星轮轴上；第四行星轮用第五密封轴承支承在第三星轮轴上；第四行星架输出轴颈用第六、七密封轴承支承在主箱体内孔，第六密封轴承两侧装有第一、二密封件第七密封轴承与输出齿轮之间装有第三密封件；有益效果：轴承运转可靠，因而减速器使用寿命长、噪声低。

Description

轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱

【技术领域】

本发明涉及风电齿轮箱技术领域，一种轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱，其新颖性在于箱体内滚动轴承用轴承脂润滑、齿轮啮合副用齿轮油强制润滑。

【背景技术】

齿轮箱是风电机组三大核心技术之一。国内有大公司高管宣称生产的风电齿轮箱达到卫星级水平，保证20年正常运转。

但《风电齿轮箱的发展及技术分析》(机械传动2008.06)指出：国产齿轮箱都运行不足3年而停机大修。

本发明是下述背景技术的创新：

《风力发电机偏航齿轮箱》(ZL200410064930.X)

《风力发电变桨齿轮箱》(ZL200620111262.6)

(一)国内风电机组中的齿轮箱包括背景技术的问题是停机故障率高：

《风力发电机组齿轮箱润滑油选择指南》指出：“国内风电机组80％的停机故障是因为齿轮箱问题，齿轮箱出现故障概率分别为：轴承81％，齿轮14％…”

轴承故障率高的原因是什麽？①现代加工中心完全能保证轴承孔的加工精度，因此可排除机加工因素；②设计者惯于选用比计算值高一个等级轴承，因此可排除轴承负荷小于设计因素；③齿轮箱装配工大多是经验丰富的高级技师，因此可排除齿轮箱装配质量因素。

(二)“润滑不良是引起轴承早期破坏的主要原因”(刘泽九《滚动轴承应用手册》891页)

“…轴承早期失效往往不是材质引起的疲劳破坏，而是污染物进入轴承内部后润滑脂质逐渐变坏，在滚动接触面上产生压痕所致。”(《密封深沟球轴承的密封技术》轴承2009.05)

向心球轴承接触应力σjmax＝5000MPa(р.д.别捷尔曼的《滚动轴承手册》134页)为齿轮副σjmax＝1450MPa的3-4倍，因此轴承润滑脂(油)的清洁度应远远高于齿轮的润滑油。

(1)国内最大型风电齿轮箱企业——南京高速齿轮制造有限公司齿轮专家在发明专利《风力发电机齿轮箱的输入端》(201110062373.8)申请说明书中明确指出：

现有风力发电机变桨或偏航齿轮箱运转中产生的铁屑和杂质随润滑油进入轴承中，直接影响齿轮箱使用寿命，…；

(2)朱孝录《齿轮传动设计手册》94页：在动力齿轮传动中，轮齿表面由于滑动磨损、腐蚀、过热等等，因而出现齿面损耗是不可避免的；

(3)《风力发电机组齿轮箱轴承的保养和维护》：“运行人员登机发现滤清器内有2mm2鳞片状铁屑和大量金属粉末；高速轴轴承损坏后齿轮位移，导致行星架齿面啮合异常而损坏。”

(4)上海机械学院《机械设计基础》上103页：“齿轮传动装备使用一段时间后拆下可发现轮齿表面出现磨损痕迹，特别在润滑较差或润滑油不纯洁的条件下，磨损现象更为明显，…磨损是由于接触面之间有作用力和相对滑动造成的。”

(5)《磁性油塞》(ZL200720131393.5)说明书指出：在工作的过程中，由于相互啮合的齿轮磨损后往往形成游离铁粉末，加速金属接触面的磨损，……；

(6)《轨道交通车辆齿轮箱上的磁性油塞》(201120068109.0)说明书：齿轮啮合中产生的游离金属颗粒不断被润滑油带入齿轮啮合面，加速了齿轮磨损，直接影响齿轮箱使用寿命，…；

(7)《风电增速箱》(ZL200920112092)说明书采用磁性螺塞来吸附润滑油中游离金属粉末；

(8)《传动机构箱体润滑油铁屑磨粒吸附装置》(ZL200820083625.9)说明书：齿轮在加工过程中难免带有毛刺，齿轮啮合副的滑动摩擦会产生铁屑磨粒，…。

(三)理论上要求轴承用脂润滑(或不含添加剂矿物油)，齿轮用含添加剂的润滑油：

(a)刘泽九《滚动轴承应用手册》893页：“当高速运转或高温下工作的轴承，在无法使用润滑脂润滑时或轴承邻近的另件(如齿轮)用润滑油润滑时，轴承才用润滑油润滑。”

921页：“…滚动轴承的润滑一般用不含添加剂的矿物油”；

(b)朱孝录《齿轮传动设计手册》1087页：处于边界润滑状态下的齿轮，应使用含极压抗磨剂(添加剂)的润滑油。

SH/T0017-1990 L-FC一等品轴承油运动粘度为90-100；比齿轮油粘度为288-352小得多。

结论：风电齿轮箱故障率高的根本原因是齿轮箱运转中产生的铁屑和杂质随润滑油进入轴承中，轴承损坏导致齿轮箱出现故障而停机，即使有过滤器和磁性螺塞。

(四)密封轴承能防止铁屑和杂质随润滑油进入轴承中，确保齿轮箱使用的可靠性。选用密封轴承的理论依据如下：

①《密封深沟球轴承的密封技术》轴承2009.05：“密封深沟球轴承具有抗污染、防尘埃、简化主机结构，便于安装和维护等优点，在电机、航空、航天等领域应用广泛。……在一些配套主机上，轴承的早期失效往往不是材质引起的疲劳破坏，而是污染物进入轴承内部后润滑脂质逐渐变坏，在滚动接触面上产生压痕所致。”

②刘泽九《滚动轴承应用手册》593页：“密封轴承既可以有一个良好密封润滑环境，同时也省去复杂的润滑系统。所以在结构紧凑、密封要求严格部位，均建议使用密封轴承。轴承自身密封除了具有良好防尘、密封效果外，还能在轴承运转过程中毋需补给润滑剂而保持良好运转状态，减少了维修费用。”

③卜炎《实用轴承技术手册》95页：“在那些结构紧凑、轴向尺寸要求小、密封要求严格、维护补油困难，不便采用附加密封装置的地方，可以优先选用密封轴承。”

④埃斯曼《滚动轴承设设计与应用手册》221页：“当结构紧凑时，最好使用装有两面密封的向心球轴承。装有两面密封圈的向心球轴承已装入足够轴承整个使用期限的润滑脂。”

朱孝录《齿轮传动设计手册》1096页：“齿轮润滑油和齿轮及其他另件一样都有它的使用寿命，油品的使用寿命又与使用工况和保养技术密切相关。…一般工业齿轮正常运转2500h.或6个月必须换油。”

刘泽九《滚动轴承应用手册》913页给出图7-3轴承换脂周期经验曲线，为便于应用现将其变换为下述拟合公式：

T＝1.475·10⁶K^-0.9908～1.025·10⁶K^-0.8626(h.)

式中：系数K＝K_f·n·Dm(r·mm/s)(球轴承K_f＝0.9～1.1)，Dm＝(D+d)/2，计算结果：密封轴承的换脂周期＞2500(h.)，因而证明了密封轴承已装入足够轴承整个使用期限的润滑脂。

电机n₁＝1000rpm，NAD：i＝6.3、n＝158.7rpm，NBD：i＝40、n＝25rpm换脂周期

又如：ZJ2240水泥球磨机行星减速器：行星轮轴承22352：260×540×165

因而K＝K_f·n·Dm(r·mm/s)＝1.0×43.6÷60×400＝290.7

故换脂周期为：T＝1.475·106K-0.9908～1.025·106K-0.8626＝5346～7688(h.)

转速越低，换脂周期越长。电动机转子轴就是采用密封轴承。

【发明内容】提供一种轴承用脂润滑、齿轮用油润滑的轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱。

【技术方案】输入轴用第一密封轴承支承在法兰内孔；第一行星轮用第二密封轴承支承在第一星轮轴上：第二行星轮用第三密封轴承支承在第二星轮轴上：第三行星轮用第四密封轴承支承在第三星轮轴上；第四行星轮用第五密封轴承支承在第三星轮轴上；第四行星架输出轴颈用第六、七密封轴承支承在主箱体内孔，第六密封轴承两侧装有第一、二密封件，第七密封轴承与输出齿轮之间装有第三密封件。

【有益效果】技术效果是轴承运转可靠，因而减速器使用寿命长、噪声低。

【附图说明】图1.本发明实施例结构示意图

【具体实施方式】下面结合附图对本发明详加描述：

参照图1.一种轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱，包括箱体与四级行星轮系，所述箱体包括法兰1及顺次联接的第一、二内齿圈4、第三内齿圈5、中箱体2、第四内齿圈6与主箱体3，所述四级行星轮系中第一级包括第一太阳轮9、第一行星架7、第一行星轮8、第一星轮轴及第一内齿圈4，第二级包括第二太阳轮12、第二行星架10、第二行星轮11、第二星轮轴及第二内齿圈4，第三级包括第三太阳轮15、第三行星架13、第三行星轮14、第三星轮轴及第三内齿圈5，第四级包括第四太阳轮18、第四行星架16、第四行星轮17、第四星轮轴23及第四内齿圈6，所述第一、第二星轮轴分别固定在第一、第二行星架5、8上，所述第三星轮轴紧固在第三行星架13两侧壁上，所述第四星轮轴23紧固在第四行星架16两侧壁上，所述第一行星架7与第二太阳轮12花键联接，所述第二行星架10与第三太阳轮15花键联接，所述第三行星架13与第四太阳轮18花键联接，减速传动路线：动力由输入轴19传给相联接的第一太阳轮9，第一级行星减速后由第一行星架7传给相联接的第二太阳轮12，第二级行星减速后由第二行星架10传给相联接的第三太阳轮15，第三级行星减速后由第三行星架13传给联接的第四太阳轮18，第四级行星减速后最终由第四行星架16驱动输出齿轮20，其特征在于：

所述输入轴19用第一密封轴承28支承在法兰1内孔；

所述第一行星轮8用第二密封轴承27支承在第一星轮轴上；

所述第二行星轮11用第三密封轴承29支承在第二星轮轴上；

所述第三行星轮14用第四密封轴承26支承在第三星轮轴上；

所述第四行星轮17用第五密封轴承23支承在第三星轮轴上；

所述第四行星架16输出轴颈用第六、第七密封轴承24、22支承在主箱体3内孔，所述第六密封轴承24两侧装有第一、第二密封件241、242，所述第七密封轴承22与输出齿轮20之间装有第三密封件21；

密封轴承为接触式径向密封轴承RK、或RS、或HMS(A)、或MHS(A)型，有单唇和双唇两种(刘泽九《滚动轴承应用手册》593页)；

所述密封件为旋转轴唇形密封圈或由薄唇齿形滑环+O型圈组成的车氏组合密封。

车氏组合密封齿形滑环的齿尖与旋转面近于线接触，大大减少了高速旋转摩擦热。滑动面油膜厚0.001～0.0025mm，只起润滑作用而不至被刮出成滴(泄漏)，O型圈使线接触密封面磨损得以自动补偿。车氏密封：压力0～30MPa，工作温度-55～250℃。车氏密封自动弹性补偿、长寿命、低摩擦、无泄漏等优异特性广泛应于于航天、冶金、石油化工等领域(详见成大先“机械设计手册”卷2和车氏密封相关论文)。

Claims (1)

1.一种轴承用脂润滑风力发电偏航齿轮箱，包括箱体与四级行星轮系，所述箱体包括法兰(1)及顺次联接的第一、二内齿圈(4)、第三内齿圈(5)、中箱体(2)、第四内齿圈(6)与主箱体(3)，所述四级行星轮系中的第一级包括第一太阳轮(9)、第一行星架(7)、第一行星轮(8)、第一星轮轴及第一内齿圈(4)，第二级包括第二太阳轮(12)、第二行星架(10)、第二行星轮(11)、第二星轮轴及第二内齿圈(4)，第三级包括第三太阳轮(15)、第三行星架(13)、第三行星轮(14)、第三星轮轴及第三内齿圈(5)，第四级包括第四太阳轮(18)、第四行星架(16)、第四行星轮(17)、第四星轮轴(23)及第四内齿圈(6)，所述第一、二星轮轴分别固定在第一、第二行星架(5、8)上，所述第三星轮轴紧固在第三行星架(13)两侧壁上，所述第四星轮轴(23)紧固在第四行星架(16)两侧壁上，所述第一行星架(7)与第二太阳轮(12)花键联接，所述第二行星架(10)与第三太阳轮(15)花键联接，所述第三行星架(13)与第四太阳轮(18)花键联接，减速传动的路线：动力由输入轴(19)传给相联接的第一太阳轮(9)，第一级行星减速后由第一行星架(7)传给相联接的第二太阳轮(12)，第二级行星减速后由第二行星架(10)传给相联接的第三太阳轮(15)，第三级行星减速后由第三行星架(13)传给相联接的第四太阳轮(18)，第四级行星减速后最终由第四行星架(16)驱动输出齿轮(20)，其特征在于：

所述输入轴(19)用第一密封轴承(28)支承在法兰(1)内孔；

所述第一行星轮(8)用第二密封轴承(27)支承在第一星轮轴上；

所述第二行星轮(11)用第三密封轴承(29)支承在第二星轮轴上；

所述第三行星轮(14)用第四密封轴承(26)支承在第三星轮轴上；

所述第四行星轮(17)用第五密封轴承(23)支承在第三星轮轴上；

所述第四行星架(16)输出轴颈用第六、第七密封轴承(24、22)支承在主箱体(3)内孔，所述第六密封轴承(24)两侧装有第一、第二密封件(241、242)，所述第七密封轴承(22)与输出齿轮(20)之间装有第三密封件(21)；

所述密封轴承为接触式径向密封轴承，如RK、或RS、或HMS(A)、或MHS(A)型；

所述密封件为旋转轴唇形密封圈或车氏组合密封。

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