偏航变桨减速器轻量化设计思路

王林焱， 马文广， 马海波， 李忠强， 张 聪， 任世文

（银川威力传动技术股份有限公司， 宁夏 银川 750000）

0 引言

随着我国经济规模的不断发展以及城镇化进程的加速，我国用电量持续稳定高速增长，电能替代的建设也受到政府的大力支持，发展风力发电是大势所趋。近几年来我国风电装机总容量不断飙升， 但是随着电价补贴力度减小，各风电主机厂家考虑降低风机制造成本。 偏航、变桨减速器是风力发电机组的重要构件， 亟需解决 “大而笨”的根本问题。

1 偏航变桨减速器工作原理及结构特点

偏航变桨减速器主要在风力发电机上起到 “降速增扭，调角度定方向”的作用。 变桨减速器被安装在叶片轮毂上，风机需要变桨是，减速器输出小齿轮带动叶片轮毂大齿圈，从而使得叶片迎风角度发生变化，从而获得足够的动力转矩。 当风力过大时，变桨减速器可再次调整叶片迎风角度，减小迎风面积，避免风机超速失速；偏航减速器一般和风机控制系统配合使用，尽可能的使得在一定风速范围内，风机一直处于向风状态，能够高效率的发电。 当风力过大时，偏航减速器可固定静止，配合风机上刹车钳起到刹车固定的作用，保证风机安全。 工作原理图见图1。

图1 偏航变桨减速器工作原理图

偏航变桨减速器结构特点： 因风力发电机舱内空间有限，承受载荷极大，工作环境恶劣，风力发电偏航、变桨减速器一般采用多级行星齿轮传动，其具备传动比大，结构紧凑，功率可分流、传动效率高等优点。

2 偏航变桨减速器轻量化设计

偏航变桨减速器轻量化设计需要从多个方面综合考虑，本文主要以如下几个方面进行介绍。

2.1 增加行星齿轮个数

通常为了保证较大的传动比， 偏航减速器一般设计4-5 级行星齿轮传动，减速器从输入端至输出端沿纵向轴线传递扭矩，导致整机冗长，零件数量繁多，增加整机重量。随着机械加工精度的提高，行星轮的个数由之前的3 个增加至4 个，甚至6、7 个[1]。 增加行星轮个数可以增加齿轮承载能力 （相同齿宽下）， 但是根据GL 2010 7.4.5.2.3 载荷分布系数Kγ（用于计算载荷分布中的偏差）中，取值见表1，一般也可根据减速器制造厂制造水平和以往经验进行给定。当行星轮数量增加时，会占用行星架加筋位置，可能削弱行星架强度，需要进一步进行强度校验。

图2 减速器传动示意图

2.2 通过均载浮动机构实现功率分流

一般是通过均载浮动机构来使每个级的传动齿轮承受不同的摩擦和作用力，这种情况下，可以在其具有一定自由度的范围内对其进行相应的自动调节，见图3，因偏航变桨减速器成本控制， 最简单的分流方式才是最实际的，多数使用太阳轮和行星架浮动的均载分流机构[2]。 通过实际验证，太阳轮浮动均载机构分流效果明显，很少出现齿轮偏载情况。

表1 载荷分布系数Kγ 取值

图3 太阳轮浮动机构

2.3 通过齿轮修形提高齿轮承载能力

齿轮在加载受力啮合时，齿面会发生微观形变，严重时齿面会产生低点，验证影响齿轮接触强度。通过齿轮修形，使得齿面载荷对中分布，减轻齿轮偏载的现象，降低传递误差，降低齿轮啸叫。 齿轮修形，往往需要通过参数的反复调整以及修形经验，获得一套最优的设计方案以提高齿轮承载能力。评价齿轮修形效果，必须在齿轮加载状态下。 最佳状态为啮合区域位于齿面中间，呈椭圆形状。

基于Kisssoft 进行齿轮设计优化， 调整相关经验参数，使得齿轮啮合更加平缓，避免啮合冲击[3]，见图4，通过齿廓修形，使得齿廓弧线过渡平滑，减小应力集中。

通过齿向修形， 使得加载啮合时齿面受载区域处于齿面中间区域，见图5，经过多次长时间试验证明，齿向修形过的齿轮，试验前后，齿轮磨损量有明显的减小，减速器高速级齿轮运转声音稳定，无异常啸叫声。

图4 齿廓修形

图5 齿向修形

2.4 通过零部件轻量设计优化

以无外圈滚子轴承结构和双臂行星架优化结构为例，在保证零件强度足够的情况下，减少零件的质量对产品轻量化设计有着至关重要的作用。

（1）无外圈滚子轴承结构。 大功率偏航、变桨回转驱动要求结构紧凑，按照原有的设计思路，行星轮内安装滚动轴承，极大的占用了空间，会造成行星齿轮内孔尺寸增大，行星轮整体强度大幅降低，造成行星齿轮齿根开裂，齿圈开裂等故障。新采用以行星齿轮内孔作为轴承外圈的内滚道，采用滚针轴承，使行星轮轮缘相对加厚，提高承载能力，从根本上解决齿轮损耗问题，同时可有效降低生产成本，实现产品轻量化，见图6。

（2）双 臂行星架在减速箱低速级中工作，仅和输出小齿轮通过花键连接， 往往承受较大的扭矩， 因此行星需要保证足够的强度。 通常设计双臂行星架，为了保证强度足够，避免应力集中，通常采用适当增大圆角半径，去除细小螺栓孔等[4]，重量优化不明显。 通过将双臂行星架筋板由实心改为环状，达到轻量化目的。 以设计中实际设计对比为例，优化前后，行星架受到的最大等效应力几乎无变化，最大变形量在允许范围内，而重量下降了12.66%，达到了减重目的，见表2。

图6 无外圈滚子轴承结构

表2 双臂行星架设计优化对比

图7 最大等效应力（优化前）

图8 最大等效应力（优化后）

图9 最大变形量（优化前）

图10 最大变形量（优化后）

图11 实心加筋（优化前）

图12 空心环状加筋（优化后）

3 结论

随着海上风电和陆上风电已进入规模化发展阶段，考虑到风电齿轮箱安装空间限制和生产成本，越来越多的偏航变桨减速器趋于小驱动模式， 减速器轻量化日趋重要。本文主要从行星轮个数、浮动机构、齿轮修形和零部件减重等几个方面介绍了减速器轻量化的设计思路， 除此以外，还多多种设计思路，如优化齿轮表面热处理方式，提高齿轮接触和弯曲强度、提高减速器传递效率等方式。 实际设计时，还需要从多个维度共同入手，多维度相互结合，从整体来考虑减速器轻量化设计，最终达到产品轻量化设计。