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風電齒輪箱行星輪組件軸向游隙偏大原因分析

2018-04-25

鄒俊偉，周志欣，曹科名
 （中航工業(yè)湖南南方宇航高精傳動有限公司）

　　摘　要：行星傳動機構作為風電齒輪箱關鍵部件，因承受無規(guī)律的風力作用及強陳風沖擊變載荷作用，所以行星輪系傳動時的均載性水平對提高風電齒輪箱傳動可靠性具有重要意義，行星輪組件軸向游隙是保證實現(xiàn)行星輪系中太陽輪浮動的前提，是提高行星輪系傳動均載性水平、使用壽命的關鍵。針對行星輪組件軸向游隙偏大問題，分別從測量方式、測量儀表、裝配工藝、軸承內外圈高度差4個方面對行星輪組件軸向游隙的影響進行了深入分析，確認了軸承內外圈高度差對行星輪組件軸向游隙的影響，通過引入軸承內外圈高度差因素，解決了行星輪組件軸向游隙偏大問題。

　　關鍵詞：風電軸承；滿裝圓柱滾子軸承；雙列軸承；軸向游隙；測量；高度差

　　1　引言

　　風電齒輪箱將葉輪受風力作用旋轉而產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機發(fā)電，是風力發(fā)電設備的關鍵部件。為滿足發(fā)電機額定轉速需求，風電齒輪箱多采用多級行星齒輪傳動方式。在風電齒輪箱行星輪傳動組件中，滿裝圓柱滾子軸承得到廣泛應用，因這種軸承完全為了承受重載荷而設計的，在同樣寬度下，這種軸承與傳統(tǒng)型帶保持架軸承相比，具有極高的承載能力，尤其是承受較大的徑向載荷，同時其徑向截面小，可以節(jié)省較大的空間，結構緊湊，行星傳動機構作為風電齒輪箱關鍵部件，具有傳動比大、結構緊湊、功率分流等優(yōu)點，在風電齒輪箱中廣泛采用。因承受無規(guī)律的風力作用及強陳風沖擊變載荷作用，所以行星輪系傳動時的均載性水平對提高風電齒輪箱傳動可靠性具有重要意義，行星輪組件軸向游隙是保證實現(xiàn)行星輪系中太陽輪浮動的前提，是提高行星輪系傳動均載性水平、使用壽命的關鍵。

　　2　問題的提出

　　公司某大型風電齒輪箱行星架組件中的行星輪組件結構，如圖1所示。

　　1個行星架組件包括3件行星輪組件。1件行星輪組件包括1件行星輪、1件配油環(huán)、2套滿裝雙列圓柱滾子軸。其配合關系為：行星輪內孔與滿裝雙列圓柱滾子軸承外圈為過盈配合，過盈量為（0.03——0.06）mm，配油環(huán)處在兩列圓柱滾子軸承內圈之間，配油環(huán)起著分配兩列軸承潤滑用油及控制行星輪組件軸向游隙作用。行星輪組件軸向游隙設計要求范圍值為：（0.4——0.6）mm。行星輪組件裝配完成后，測量3個行星輪組件軸向游隙時，測量值結果分別為：1.20mm、1.25mm、1.18mm，則3個游隙值偏大，不符合設計要求。

　　3　原因分析

　　在圖1中設配油環(huán)厚度值為C，行星輪內孔臺階厚度值為H，則易知行星輪組件軸向游隙的保證是由行星輪配油環(huán)厚度值C得以實現(xiàn)的，如配油環(huán)厚度值C小于等于行星輪孔內臺階厚度值C，即C燮H，則行星輪組件軸向游隙為0；如C＞H，則游隙為（C-H）。

　　經(jīng)分析造成行星輪組件軸向游隙偏大原因主要有4個方面：測量方式、測量儀器、裝配工藝和軸承內外圈高度差影響。

　　3.1測量方式

　　行星輪組件軸向游隙測量原理圖，如圖2所示。測量方式是由軸承供應商建議并推薦，且公司在其它相似結構行星輪組件軸向游隙測量中成功運用，因此可以排除測量方式帶來的游隙值偏大。

　　3.2測量儀表

　　為排除測量儀表的原因，分別用3個百分表測量3次，測量結果值未發(fā)生顯著變化，因此可以排除測量儀表帶來的游隙值偏大。

　　3.3裝配工藝

　　行星輪組件裝配前如未清理配油環(huán)端面上的高點或異物，則會造成行星輪組件軸向游隙偏大。針對裝配工藝原因可能造成游隙值不符合設計要求的問題，裝配工藝作了嚴格的技術要求，如存在高點或異物則需清理，配油環(huán)配磨后其端面平行度誤差不超過0.02mm。出現(xiàn)問題后，經(jīng)確認裝配過程符合裝配工藝技術要求，因此可以排除裝配原因帶來的游隙值偏大。

　　3.4軸承內外圈高度差

　　為排除軸承內外圈高度差對行星輪組件軸向游隙的影響，假設軸承內外圈存在Δh的高度差，如圖3所示。

　　由圖1，圖3分析可知，配油環(huán)Z終厚度值C=H+（0.4——0.6）mm是基于軸承內外圈高度差很少，即高度差0.03mm，否則需要考慮軸承內外圈高度差對配油環(huán)Z終厚度值的影響，即對軸承游隙的影響。軸承結構圖，如圖4所示。造成軸承內外圈高度差的原因有：（1）內外圈擋邊厚度不相等（T1≠T2）而寬度相等（B1=B2）或相差不超過0.03mm；（2）T1=T2或相差不超過0.03mm，而B1≠B2；（3）T1≠T2，B1≠B2。無論是哪種原因，按圖3所示方式均能準確測量出超過0.03mm的內外圈高度差。

 　　由表1可知3個行星輪組件中，未考慮軸承內外圈高度差時，理論計算出行星輪組件軸向游隙Z小值應為0.52mm，Z大值應為0.63mm；當考慮軸承內外圈高度差時，由式（1）知，行星輪組件軸向游隙值的范圍應該為（1.19~1.30）mm，與表1游隙值測量結果是吻合的。為使行星輪組件軸向游隙值符合設計要求，根據(jù)式（1）將配油環(huán)厚度值減少，減少配油環(huán)厚度值后所對應的游隙值，如表2所示。

 　　相對表1中C1、C2、C3相應減少了0.77mm、0.63mm、0.77mm，游隙值相應減少了0.75mm、0.66mm、0.74mm。3個行星輪組件軸向游隙值符合設計要求，使問題得到了解決。雖然配油環(huán)厚度減少量與相應游隙減少量存在（0.01——0.03）mm的誤差，這是由于測量過程中的誤差是無法避免的。因此可以得出上述對游隙值偏大原因分析是完全正確的，即設計軸承游隙值時必須考慮軸承內外圈高度差，裝配前須對每列軸承內外圈高度差進行測量。

　　5　總結

　　針對風電增速齒輪箱行星輪組件軸向游隙測量值偏大問題，從游隙測量方式、測量儀器、裝配工藝，軸承內外圈高度差4個原因方面作了分析，尤其對軸承內外圈高度差對游隙影響進行了詳細分析，在此基礎上進一步推導出了配油環(huán)Z終厚度值的計算公式，并驗證了其正確性。軸承具有類型多而使用領域廣泛的特點，在使用軸承時，盡可能多了解其結構特點、工作原理，以便正確使用，減少不必要的損失，從而提高軸承使用壽命。

來源：《機械設計與制造》2017年第1期