大功率齿轮箱背靠背-机械封闭式试验台

杨 进

(武汉云鹤齿轮传动有限公司， 湖北 武汉 430074)

风力发电机组主要包括以下几个部分：增速齿轮箱、发电机组、叶片、塔基和变电站等．目前，我国生产最多的是带增速齿轮箱的风力发电机组，且有向大功率发展的趋势．这种风力发电机组具有技术复杂、运行可靠、使用寿命长的特点，因此对各组成部分的零部件的精度、功能要求高．武汉云鹤齿轮传动有限公司(以下简称“云鹤齿轮”)是生产大功率风电齿轮箱的专业生产厂家， 拥有自主知识产权的1.0 MW系列齿轮箱以及引进国外Orbital2技术的2.0 MW系列齿轮箱，产品具有高稳定性和高耐用度．齿轮箱是风力发电机组的关键部件之一，其性能和质量直接关系到整机可靠性和使用寿命．每台交付装机的齿轮箱都必须进行台架试验，以检验其性能和质量．云鹤齿轮引进Orbital2技术，开发研制了3.6 MW大功率齿轮箱背靠背-机械封闭式试验台，为风力发电及工业用齿轮箱提升制造、试验水平奠定了基础．

1 试验台的总体结构及原理

适用于大功率齿轮箱的背靠背-机械封闭式试验台，其总体结构如图1所示．该试验台系统主要有驱动直流电机与相应的控制系统、陪试齿轮箱、扭力传感器、传动轴、加载装置、测试齿轮箱、总控台等几部分组成．为满足振动、噪声及油温测定的要求，另配有测振仪、精密声级计及测温装置等．

1-驱动电机；2-电机联轴器；3-传动箱1；4，10，11，18-联轴器；5-陪试齿轮箱；6，9-传动轴；7-测试齿轮箱；8-齿轮箱支座；12-传动箱2；13-传动箱支座；14，19-扭力传感器支座；15-齿轮箱底座；16-联轴器底座；17-联轴器支架；20-传动箱底座图 1 背靠背-机械封闭式试验台总体结构

试验时，测试齿轮箱与陪试齿轮箱背靠背串联于试验台的封闭传动链中；主电机驱动试验台运转，并可按要求调整其驱动转速；两个传动箱均采用两级变速，且传动比为1，其目的是连接陪试和测试齿轮箱，使整个传动链封闭起来；加载装置采用液压加载器，通过对陪试齿轮箱进行加载，形成封闭功率流中的内部转矩，产生所谓的“封闭功率”，借此也实现对测试齿轮箱的加载；驱动电机运转时所提供的功率仅仅是试验台系统运转时所消耗的功率，即用较小的驱动功率就可实现很大功率齿轮箱的试验．试验台的加载在静态、动态下均可进行，且可随时加载卸载．试验过程中的转矩、转速及功率等通过扭力传感器传输总控台，显示并记录．

2 试验台的基本参数

目前，云鹤齿轮研制的该类型试验台是针对2.0 MW风电齿轮箱而选取的相应配套设备．

2.1 总体参数

测试齿轮箱的类型：W2000DF；类型：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；适应气候：寒冷、常温、炎热；额定功率：2 000 kW；额定速度： 1 800 r/min；最高试验速度：2 340 r/min；最大负载转矩： 1 380 kNm[1]．

2.2 传动箱参数

额定功率(通过齿轮轴输出)3.6 MW;公称转矩(通过齿轮轴输出)33 505 Nm;额定速度(通过齿轮轴输出)1 800 r/min;最大速度(通过齿轮轴输出)2 500 r/min;总比(通过输出轴齿轮)1∶1;传动比(电机驱动轴和输出轴)1 385;公称转矩(通过传动轴)5 635.8 Nm；油型和油量:美孚600 XP 220，550L/台；变速箱的重量(油)约11 200 kg/台；使用寿命5 000 h．

2.3 试验台总体尺寸和重量

长度17 m；宽度35 m；高度4.050 m；重量(无测试齿轮箱，电马达)485 t．

3 主要技术特点

3.1 经济性

齿轮试验装置根据功率流的情况，可分为功率开放型齿轮试验台和功率封闭式齿轮试验台．与开放式相比，机械封闭功率流试验台的驱动电机的功率只需要补偿试验过程中克服摩擦阻力所带来的功率损失，因而可以节省动力消耗[2]．通过试验的运转情况来看，本试验台较开放式的试验台估计节能80%左右．另外整个系统中不再需要将机械能转化为热能的耗能装置，这样可以节省或简化冷却设备．这点对齿轮传动运转试验有着重要的经济意义．

3.2 通用性

现有机械封闭式齿轮试验台主要针对特定中心距齿轮箱，如果试验齿轮箱中心距改变了，则需要把试验台相关试验设备拆下，重新定位安装，费时费力，很不方便．因此，本试验台在传统试验台结构的基础上进行了改进，将整个试验台设计分为两部分，一部分置于地基平板上，属于固定部分，一部分置于支座上，属于可移动部分，这样通过调整支架以上部分的位置便可以实现试验中心距的可调．针对不同中心距的齿轮箱或齿轮机构，不仅能够进行齿轮传动效率以及疲劳寿命试验，而且调整准确快速，非常方便，适用面广．

3.3 多工况模拟

以往的齿轮箱性能试验台一般都是针对某一特定的被试齿轮箱来进行设计，工况明确，且负荷特性单一．而本试验台除风电用齿轮箱外，还能够完成多种不同型号、不同负荷特性齿轮箱的性能试验．在系统研制过程中采取了自适应变参数控制的方法，通过对驱动电机转速以及液压加载装置压力的调整，可以实现功率范围内的所有工况，甚至能够满足超速、超载的特殊工况要求．因此，本试验台很好地解决了多种齿轮箱或多种工况在同一试验台上进行试验的难题．

4 结束语

大功率齿轮箱机械封闭式试验台的主要功能，是采用电机驱动和液压加载的形式使系统内产生大的传动功率，依据控制指令，提供需要的转速和转矩，且只需要较小的驱动功率即可产生较大的试验功率，同时可对相关信号进行采集、记录和处理．在齿轮箱台架试验中，该转速和转矩模拟的是齿轮箱的驱动源或负载，同样，该转速和转矩也可用来模拟诸如柴油机、发电机、电动机的负载等，即该类试验台可以应用于所有大型旋转设备的性能试验，甚至经过相应改造还可用于变频器等电气传动设备的性能试验．

[参考文献]

[1] Orbital2. Test rig 2MW for testing of W2000 gearboxes Design of selected components up to 3.6MW[M].England:[s.n.],2012．

[2] 姜永利，周凌辉. 大功率风力发电机增速齿轮箱性能试验台研制总结[J]．数控机床市场,2011(2): 54-56.