摘要：众所周知，行星传动机构作为风电齿轮箱的关键部件，常常会承受无规律的风力作用及强陈风冲击变载荷作用，导致风电齿轮箱传动出现一些故障，因此行星轮系传动时的均载性水平对提高风电齿轮箱传动可靠性具有重要意义，行星轮组件轴向游隙是保证实现行星轮系中太阳轮浮动的前提，是提高行星轮系传动均载性水平、使用寿命的关键。针对行星轮组件轴向游隙偏大问题，本文分别从测量方式、测量仪表、装配工艺以及轴承内外圈高度差这4个方面对行星轮组件轴向游隙的影响进行了深层地研究探析，从而确认了轴承内外圈高度差对行星轮组件轴向游隙的影响，并通过引入轴承内外圈高度差因素，解决了行星轮组件轴向游隙偏大问题。
关键词：风电轴承 满装圆柱滚子轴承 双列轴承 轴向游隙 测量高度差
风电齿轮箱是整个风电机组中成本较大的部件之一,约占机组总成本的18%,也是风电机组中的薄弱环节之一。风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内,其自身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维护费用等都有重要影响,通常要求齿轮箱的设计寿命为20年,对其可靠性要求极为苛刻。受制于齿轮箱总体设计、轮齿制造和加工工艺、整箱装配工艺以及测试技术等诸多问题的影响,风电齿轮箱在机组运行过程中会出现齿轮损坏、轴承磨损以及轴系断裂等各种类型的失效问题。而行星传动机构作为风电齿轮箱的关键部件，具有传动比大、结构紧凑、功率分流等优点，在风电齿轮箱中广泛采用。因承受无规律的风力作用及强陈风冲击变载荷作用，所以行星轮系传动时的均载性水平对提高风电齿轮箱传动可靠性具有重要意义，行星轮组件轴向游隙是保证实现行星轮系中太阳轮浮动的前提，是提高行星轮系传动均载性水平。
一、对行星齿轮机构及其工作原理的概述
1.1行星齿轮机构的组成
简单(单排)的行星齿轮机构是变速机的基础，通常自动变速器的变速机构都由两或三排以上行星齿轮机构组成。简单的行星齿车机构包括一个太阳轮、若干个行星齿轮和一个齿轮圈，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星轮在支承轴上转动。行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常都是采用斜齿轮以提高工作的平稳性的。
而简单行星齿轮机构，位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，太阳轮和行星轮常啮合，两个外齿轮啮合旋转方向相反。正如太阳位于太阳系的中心一样，太阳轮也因其位置而得名。行星轮除了可以绕行星架支承轴旋转外，在有些工况下，还会在行星架的带动下，围太阳轮的中心轴线旋转，这就像地球的自转和绕着太阳的公转一样，当出现这种情况时，就称为行星齿轮机构作用的传动方式。在整个行星齿轮机构中，如行星轮的自转存在，而行星架则固定不动。由于这种方式类似平行轴式的传动，又被称为定轴传动。齿圈是内齿轮，它和行星轮常啮合，是内齿和外齿轮啮合，两者间旋转方向相同。行星齿轮的个数取决于变速器的设计负荷，通常有三个或四个，个数愈多承担负荷愈大。
简单的行星齿轮机构通常称为三构件机构，三个构件分别指太阳轮、行星架和齿圈。这三构件如果要确定相互间的运动关系，一般情况下首先需要固定其中的一个构件，然后确定谁是主动件，并确定主动件的转速和旋转方向，结果被动件的转速、旋转方向就确定了。
1.2单排行星齿轮机构的工作原理
根据能量守恒定律，三个元件上输入和输出的功率的代数和应等于零，从而得到单排行星齿轮机构一般运动规律的特性力程。
特性方程: N1+aN2-(1+a)N3=0,其中N1为太阳轮转速，N2为齿圈转速，N3为行星架转速，a为齿圈与太阳轮齿数比。
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由特性方程可以看出，由于单排行星齿轮机构具有两个自由度，在太阳轮、环形内齿圈和行星架三个机构中，任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一个元件固定不动，或使其运动受一定的约束(即该元件的转速为某定值)，则机构只有一个自由度，整个轮系以一定的传动比传递动力。
二、分行星轮组件轴向游隙偏大的多重原因及其基本解决方案
2.1测量方式
测量方式是由轴承供应商建议并推荐，且公司在其它相似结构行星轮组件轴向游隙测量中成功运用，因此可以排除测量方式带来的游隙值偏大。
2.2测量仪表
为排除测量仪表的原因，分别用3 个百分表测量3 次，测量结果值未发生显著变化，因此可以排除测量仪表带来的游隙值偏大。
2.3装配工艺
行星轮组件装配前如未清理配油环端面上的高点或异物，则会造成行星轮组件轴向游隙偏大。针对装配工艺原因可能造成游隙值不符合设计要求的问题，装配工艺作了严格的技术要求，如存在高点或异物则需清理，配油环配磨后其端面平行度误差不超过0.02mm。出现问题后，经确认装配过程符合装配工艺技术要求，因此可以排除装配原因带来的游隙值偏大。
2.4轴承内外圈高度差
为排除轴承内外圈高度差对行星轮组件轴向游隙的影响，假设轴承内外圈存在Δh的高度差，并可由实际情况可知配油环最终厚度值C=H+（0.4——0.6）mm。这是基于轴承内外圈高度差很少的情况下，即高度差变为0.03mm，否则就需要考虑轴承内外圈高度差对配油环最终厚度值的影响，即对轴承游隙的影响。
与此同时，造成轴承内外圈高度差的原因有以下几种情况：内外圈的挡边厚度不相等（T1≠T2）而宽度相等（B1=B2）或相差不超过0.03mm；T1=T2或相差不超过0.03mm，而B1≠B2；T1≠T2，B1≠B2。但无论是哪种原因，均能准确测量出超过0.03mm 的内外圈高度差。所以，轴承内外圈高度差就是影响风电齿轮箱行星轮组件轴向游隙偏大的原因。
三、结束语
风力发电作为一种成熟的可再生能源技术,其使用的风能具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性,成为可再生能源发展的重要方向,已日益被世界各国所重视。作为风力发电机组的关键部件——风电增速齿轮箱,是一种输入转速低、重载、增速齿轮传动装置,它将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电。因此，风电增速齿轮箱行星轮组件技术方案显得尤为重要和关键。本文针对风电增速齿轮箱行星轮组件轴向游隙测量值偏大问题，从游隙测量方式、测量仪器、装配工艺，轴承内外圈高度差4个原因方面作了分析，尤其对轴承内外圈高度差对游隙影响进行了详细分析，在此基础上进一步推导出了配油环最终厚度值的计算公式，并验证了其正确性。轴承具有类型多而使用领域广泛的特点，在使用轴承时，尽可能多了解其结构特点、工作原理，以便正确使用，减少不必要的损失，从而提高轴承使用寿命。
参考文献：
[1] 邹俊伟, 周志欣, 曹科名. 风电齿轮箱行星轮组件轴向游隙偏大原因分析[J]. 机械设计与制造, 2017(1)
[2]邹俊伟, 朱美玲. 基于柔性销轴技术的风电齿轮箱行星轮轴装配工艺研究与分析[J]. 机械传动, 2015(3)
[3] 李亚美. 基于虚拟样机技术的风电齿轮箱均载性能研究[D]. 大连理工大学, 2016
论文作者:何平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/6/27
标签：行星论文; 齿轮箱论文; 游隙论文; 齿轮论文; 外圈论文; 轴承论文; 风电论文; 《电力设备》2018年第8期论文;