载荷和齿轮承载能力优化方案

时间：2023-07-01 理论教育版权反馈

【摘要】：19073标准允许在无载荷谱的情况下，对三叶风力发电机组齿轮强度计算取使用系数KA=1.3。当量载荷为式中 p——材料的试验指数常用齿轮材料的特性数N0、N∞及p值列于表8-6图8-16 某1.5MW齿轮箱正常工作状态下的载荷谱图8-17 承载能力曲线与载荷图谱表8-6 常用齿轮材料的特性数N0、N∞及p值（续）2.齿轮承载能力计算1）齿面接触疲劳强度计算：齿面接触疲劳强度条件为σH≤σHP 其中式中各参数详见《机械设计手册》及表8-5。

载荷和齿轮承载能力优化方案

1.计算载荷的确定

计算载荷的大小是齿轮强度及轴承寿命计算的依据，是齿轮箱整个设计中最重要的参数。设计时应充分注意增速传动与减速传动的区别。行星增速器的结构及性能有下列特点：

1）在传递功率相同情况下，增速传动的机械损耗大于减速传动，随着增速比的加大机械效率降低；

2）增速传动的内部动载荷大于减速传动，振动、噪声略有增加，许用工作功率低于减速传动，在强度计算时通常将使用系数加大10％～15％左右；

3）工作机械载荷的骤变对增速器内部的传动件有较大的冲击作用，尤其是工作载荷突然变小时有失速冲击现象。有些情况下，要经受工作转速2倍以上的“失速考验”，（如发电机突然掉电时），或者较大的突加制动力矩（如发电机出现短路时）等，内部结构方面要考虑对“失速”、冲击的适应能力，内部浮动件尽可能减少。

此外，机组故障（如发电机出现短路以及空气制动完全失效时紧急关机）时较大的突加制动力矩也会对齿轮箱有很大的破坏性。但鉴于这类载荷很少发生，为了降低制造成本，在确定设计载荷时难以考虑，一部分可通过在高速轴端设置具有过载保护功能的柔性联轴器来避免骤变载荷的影响。

AGMA 6006标准强调齿轮的计算应以载荷谱为基础，但由于我国目前缺乏相应的基础数据，往往载荷谱很难得到，因此齿轮的强度计算仍要依据使用系数和额定功率来进行。AGMA 6006标准未明确无实测载荷谱时的计算方法。考虑到机械效率，齿轮箱的额定功率一般为发电机的110％左右。19073标准允许在无载荷谱的情况下，对三叶风力发电机组齿轮强度计算取使用系数K_A=1.3。

表8-5给出齿轮强度计算载荷系数及材料安全系数。由于风电齿轮箱载荷的变化十分复杂，而且齿轮箱往往也不是常年连续工作，按GB/T 3480计算时，直接按1.1倍的电机额定功率再乘以K_A再乘以增速传动的1.1倍作为强度的计算功率所设计的齿轮箱尺寸往往偏大。因此，齿轮强度计算时应根据现场情况和设计经验，确定一个当量功率来作为强度校核的计算功率。按照K_A=1.3和S_Hlim=1.3，设计结果可能偏于保守。不过，在没有现场数据和经验支撑时，这样设计会偏于安全。

表8-5 齿轮强度计算载荷系数及材料安全系数

注：GB/T 3480等效采用ISO 6336；AGMA 2001的米制标准为AGMA 2101。

同时，AGMA6006标准规定动载系数K_v应不小于1.05，齿向载荷分布系数K_Hβ不小于1.15。

当给定载荷谱时，通常按等效载荷作为设计计算的依据。AGMA 6006标准附录H给出了根据载荷谱确定等效载荷的方法。

图8-16所示为某1.5MW齿轮箱正常工作状态下的载荷谱。图中的M_eq是按6006标准计算得到的该载荷谱的等效载荷（当量载荷），M_e为按额定功率得到的额定载荷（名义载荷）。载荷谱显示，在额定载荷以上工作时间仅占总时间（20年，约16.1万h）的7.8％，大于额定载荷的循环次数仅占总循环次数（13.8×10⁷）的9.3％。显然，按额定载荷设计将偏于保守。根据疲劳损伤累积理论（Minner法则），这种类型设计载荷应按当量载荷确定。

图8-17为以对数坐标的某齿轮的承载能力曲线与其整个工作寿命的载荷图谱，图中M₁、M2、M3…为经整理后的实测的各级载荷，N₁、N₂、N₃…为与M₁、M₂、M₃…相对应的应力循环次数。小于名义载荷M的50％的载荷（如图中M₅），认为对齿轮的疲劳损伤不起作用，故略去不计。则当量循环次数N_Leq为