风力发电机组主轴组件与齿轮箱对中调整装置

涂 刚，马国荣

（浙江运达风电股份有限公司风力发电系统国家重点实验室，浙江 杭州310012）

风力发电机组主轴组件与齿轮箱对中调整装置

涂 刚，马国荣

（浙江运达风电股份有限公司风力发电系统国家重点实验室，浙江 杭州310012）

随着风电机组功率的增大，主轴组件与齿轮箱自重增加导致装配愈来愈困难。介绍了一种具有缷荷机构及6自由度调整的主轴组件与齿轮箱对中装置，采用双表对中测量法，推导出对中量计算方法。该装置已获国家知识产权局授予专利，专利号（ZL201420758167.X）.

对中；双表对中法；主轴组件与齿轮箱；6自由度调整

随着我国经济建设的发展，对能源的需求越来越大，风能作为一种绿色能源，已成为当今新能源的重要组成部分。作为双馈式风力发电机组重要部件的主轴组件与齿轮箱装配质量，影响着风力发电机组的正常运转及使用寿命［1］。

双馈式风力发电机组的主轴组件与齿轮箱输入端的连接大多采用胀紧套连接，这种连接方式中，胀紧套孔与主轴的配合常为H/g级配合，这是一种间隙很小的间隙配合。对于2 MW及2 MW以上的风力发电机组来说，主轴的自重达十几吨，齿轮箱的重量更是达到二十多吨，因此，风力发电机组主轴与齿轮箱胀紧套的装配较为困难。

目前，风力发电机组总装厂在大型的风力发电机组主轴与齿轮箱装配时，均利用车间行车上的两个电动葫芦，由电动葫芦将主轴吊起，通过控制两个电动葫芦的起吊高度，将主轴调整到近似水平，然后由行车将主轴慢慢移至齿轮箱胀紧套附近，再通过塞尺测量或肉眼判断的方法，一边用行车移动主轴，一边判断主轴与齿轮箱是否对中。这种装配方式需要多人协同，安装效率极低，并有可能在对中调整时，主轴轴端擦伤胀紧套的内壁，影响风电机组使用寿命。

因此，如何提高主轴组件与齿轮箱连接孔的对中精度，解决风电机组随功率增大，主轴组件与齿轮箱自重增加导致装配困难和装配质量，设计开发了本风力发电机组主轴组件与齿轮箱对中调整装置。

1　安装装置对中测量方法选择

主轴组件与齿轮箱连接孔的对中，主要是测量主轴与齿轮箱连接孔的同轴度即径向位移或径向间隙和平行度即角向位移或轴向间隙，对中调整时，将主轴与齿轮箱分为基准端和调整端，基准端固定不动，由调整端来调整被连接轴的位置，使其与基准端的连接孔对中。本装置考虑到齿轮箱比主轴组件重，移动调节比较困难，故选择齿轮箱为基准端，主轴组件为调整端。

1.1主轴与齿轮箱连接孔相对位置［2］

（1）主轴与齿轮箱连接孔中心线同心且平行，误差在设计要求范围内如图1（a）.此种情况不需要对中调整，可直接装配。

（2）主轴与齿轮箱连接孔孔中心线不同心有平行偏移如图1（b），需对中调整。

（3）主轴与齿轮箱连接孔孔中心线同心有偏转角如图1（c），需对中调整。

（4）主轴与齿轮箱连接孔中心线不同心且两轴线间有偏转角如图1（d），需对中调整。

图1　主轴与齿轮箱连接孔位置图

1.2主轴与齿轮箱连接孔对中测量方法选择［2］

对中测量的方法有直接测量法和间接测量法两种方式。

1.2.1直接测量法

直接用直尺、直角尺或塞尺，分别测出两连接轴外缘的径向偏差和两轴端面的轴向间隙，这种方法简单，但误差较大。

1.2.2间接测量法

利用千分表或激光对中仪来检测两轴线误差方法。

（1）千分表法测量原理

就是测量两连接轴的指定测量面上不同方向的相对位置偏移量，通过测量获得的偏移量来计算出对中误差参数。千分表测量法又可分为双表测量法、三表测量法、外圆双表法、单表反表轴测量法。

1）双表测量法

在基准端（即固定端）的被连接轴上装上专用夹具及千分表，使两只千分表的触头指向另一被连接轴的外圆和端面上，两轴同时旋转，测出某些方位（0°、90°、180°、270°）的径向读数的同时，测量出同一方位上的轴向读数。该测量方法适用于两被连接轴能够通过其他方式连成一体，可同时旋转并在旋转时连接轴无轴向窜动或窜动量较小场合。

2）三表测量法

径向测量同双表测量法，不同的是在端面测量方位上安装了2只对称布置的千分表，用于消除两轴旋转时轴向窜动对轴向读数的影响。该测量方法适用于两被连接轴可同时旋转，旋转时有较大轴向窜动场合。

3）外圆双表法

是通过相隔一定距离的2个千分表多点测量外圆的读数，确定两轴相对位置，以此来移动调整端位移量和调整方向。

4）单表反表轴测量法

是将1只对中表架和千分表分别固定在两被连接轴的轴上，然后各自转动或同时转动两轴，通过千分表测出0°、90°、180°、270°千分表读数，通过计算算出移动端的移动量。该测量方法适用于两被连接轴各自转动或同时转动，无关轴向窜动场合。

（2）激光对中仪测量过程

是在特定的测量面（测量面为对中仪的第一反射面所在的平面，测量面垂直于轴线）上的不同方位（0°、90°、180°、270°）测量激光的发射线与第一反射面的交点位置的移动量所对应的光学偏移量，通过测量得到的光学偏移量来反映出两轴线的对中误差参数。

通过以上对中测量方法的分析，结合主轴组件与齿轮箱结构形式，主轴无轴向窜动，故选择外圆双表法进行对中测量较为合适。

2　对中调整装置的结构组成

根据主轴轴线与齿轮箱孔中心线可能出现的情况，决定了对中装置的调整端（主轴组件端）需要有6个自由度，即沿主轴轴线方向（X轴向）、与轴线水平面垂向（Y轴向）和高度方向（Z轴向）的移动和沿Z轴、Y轴、X轴的转动。故对中装置调整端由1个沿主轴轴线向移动机构、2个轴线垂直水平向调整机构和2个高度方向调整机构及高度方向移动的导向装置、重力卸荷装置、主轴主支承架、主轴副支承架、齿轮箱支承架、支承架旋转支撑及主副支承架安装底架、辅助轴、千分表固定支架、直线滚动导轨、手轮、踏台等组成。

踏台是为方便操作人员在对中调整时观察及检测时而设置。对中调整装置的结构如图2.

图2　对中调整装置的结构组成

2.1轴线水平面垂向移动机构组成

主、副支承架的主轴水平面垂向移动机构（Y轴向）为两个单独的运动机构，由螺旋传动［3］、定位精确的滚动直线导轨、支承架等组成。支承架放置在滚动直线导轨上，螺旋传动装置带动主轴组件移动。为易于控制调整量，螺旋传动装置的动力采用手动方式，传动装置自锁，保持已调整完的主轴位置。

2.2高度方向移动机构组成

主、副支承架的高度方向移动机构为两个单独的运动机构，由斜面机构［3］、螺旋传动机构、移动导向装置、重力负荷卸载装置等组成，斜面机构支承在滚动直线导轨上。主轴组件高度方向调节时，摇动手轮带动斜面机构向内或外移动，从而使主轴组件升高或降低。由于主轴组件（包括支承架）重量较重，虽经斜面机构和螺旋机构的省力作用，但操作人员操作时仍感到困难。故本机构专门设计了重力负荷卸载装置，它由蝶形弹簧和调节螺母构成，蝶形弹簧承载了大部分主轴组件（包括支承架）的重量，减轻了斜面螺旋机构的负载，使得操作变轻松。

2.3轴线方向移动机构

由于主轴与齿轮箱连接孔配合长度较长，故该机构采用链传动加助力机构的组合形式，用于将对中调整后的主轴组件快速送入齿轮箱孔内，完成主轴组件与齿轮箱的装配或用于主轴组件与齿轮箱装配时主轴卡阻时的主轴退出。

3　对中安装装置六个自由度实现

3.1轴线向移动

主轴沿轴线方向移动时，手动机构带动链传动，在助力机构辅助力作用下，将主轴组件装入齿轮箱的胀紧套内。

3.2水平面内的垂向移动

同向转动副支承架和主支承架的轴线垂向移动机构，对中装置带动主轴组件沿水平面内的垂向直线运动。

3.3高度方向移动

同向操作副支承架和主支承架的螺旋与斜面组合机构，对中装置带动主轴组件上下移动。

3.4主轴竖直面内转动

异向或异步操作副支承架和主支承架的螺旋斜面组合机构，使它们错位移动，或使主副支承架的螺旋与斜面组合机构一端静止，另一端上下移动，实现主轴在竖直面内转动。

3.5主轴水平面内转动

异向或异步操作副支承架和主支承架3的轴线垂向移动机构，使它们错位移动、或使主副支承架一端静止另一端移动，使主轴在水平面内偏转。

3.6主轴沿轴线旋转

主轴组件放置在顶端带滚轮的“V”形主、副支承架上，因此主轴组件可沿主轴轴线旋转。

4　对中调整量计算

主轴与齿轮箱对中调整以连接孔轴线为基准轴线，先调整主轴与基准轴线的偏角，后调整主轴与基准轴线的偏距。辅助轴和千分表固定方式如图3所示。

图3　辅助轴和千分表安装

（1）将辅助轴套入齿轮箱连接孔内，装有2只千分表的表架固定在辅助轴上，辅助轴可沿齿轮箱连接孔旋转；

（2）与千分表接触的主轴上至少在0°、90°、180°、270°作标记，主轴上等分点越多，测得的调整量越正确；

（3）表架刚度和主轴加工综合误差检测。千分表不动，旋转主轴一圈测出在a1、a2、a3、a4的读数和b1、b2、b3、b4的读数，a3－a1、a4－a2、b3－b1、b4－b2即为A、B处的表架刚度和主轴加工综合误差Δa和Δb，需将该值度计入千分表读数。

（4）旋转辅助轴千分表随辅助轴一起转动，记录a1、a2、a3、a4的读数和 b1、b2、b3、b4的读数，若 a3－a1＝a4－a2＝b3－b1＝b4－b2＝Δa＝Δb（注意Δa和Δb的正负符号，须同符号），则齿轮箱连接孔与主轴同轴；

（5）若a3－a1、a4－a2、b3－b1、b4－b2任一组数值大于综合误差，则说明齿轮箱连接孔与主轴为偏心；

（6）主轴与齿轮箱连接孔中心线不同心且两轴线间有偏转角时，对中调整量计算。如图4所示，垂向偏角调整时，主轴支撑点2处调整量：

图4　主轴轴线与齿轮箱连接孔轴线位置

多次旋转辅助轴，测出a1、a3的读数和b1、b3的读数使得a3－a1＝b4－b2即为偏角调整完毕，水平向偏角调整方式同垂向偏角调整。

（7）偏角调整完毕，主轴轴线与齿轮箱连接孔轴线平行，但可能存在偏距，垂直面高度向调整量为旋转辅助轴，测出a1、a3的读数和b1、b3的读数，主轴支撑点1和主轴支撑点2同时升高量：

水平面内偏距调整量计算方式同垂直面高度向调整。

5　结束语

本文详述了风力发电机组主轴组件与齿轮箱对中调整装置的结构组成及主轴组件6自由度实现方法，同时对主轴组件与齿轮箱连接孔如何对中测量和计算进行了阐述。本对中装置具有以下特点：

（1）竖向移动机构、轴向移动机构和水平面内的垂向移动均设置有助力机构，因此，当风力发电机功率增大而引起主轴重量增加时，可通过调整助力机构的辅助力，使操作人员的操作力保持在人体工程学推荐的精确安装时的转动力，保证调整时对中精度稳定性和高效率，并可适用宽广的风力发电机功率范围。

（2）主轴由主支承架和副支承架支承，副支承架为上下分体结构，上部分为滚动式“V”形结构，下部分用于安装调整机构，上下两部分间设置旋转支承，可相对转动，便于主轴在水平面内角度调整时，灵活转动。

（3）上下高度调整机构采用螺旋斜面组合机构，调整装置在高度方向调整后能定位自锁，并可精确微调，保证调整对中精度。

（4）主轴轴向移动机构采用链传动加助力机构的组合形式，满足主轴装入齿轮箱的胀紧套时，可随动随停灵活性，又可在助力机构作用下，快速将主轴装入胀紧套内，提高装配效率。

［1］叶杭冶，许国东，史晓鸣，等.风力发电系统设计、运行与维护［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［2］孙爱萍，赵博龙，范喜频.旋转设备安装中联轴器的找正与对中［J］.石油化工建设，2009，（6）：72-73.

［3］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

Device for Alignment of Spindle Unit with Gear Box of Wind Turbine Generator System

TU Gang，MA Guo-rong
（Zhejiang Windey Co.，LTD，State Key Lab of Wind Power System，Hangzhou Zhejiang 310012，China）

With the increase of power of wind turbine generator system （WTGS），and increased dead-weight of spindle and gear box will lead to their difficult connection.Description was made on a device for alignment of spindle unit with gear box with unloading and 6 freedom adjusted mechanism.Calculation method was derived from alignment determination by double dia indicator.The device was patented by SIPO with patent number of ZL201420758167.X.

alignment；double dia indicator alignment；spindle and gear box；six freedom adjusted mechanism

TK83

A

1672-545X（2016）07-0173-04

2016-04-15

涂刚（1979-），男，浙江人，本科，工程师，主要研究方向为风力发电机组技术质量管理。