1.5兆瓦风力发电机组对中盘车装置设计

摘要 本文主要阐述了某型1.5兆瓦风力发电机组发电机对中工作中盘车装置的需求和设计过程。设计过程包括功能设计，设备结构分析和设计，齿轮传动参数设计，齿面强度设计等，并完成了三维设计图纸，最后将该设备的优势进行了说明。

关键词 对中；盘车工具；机械设计

中图分类号TM315 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0187-02

双馈型风电机组在安装调试过程中，发电机与齿轮箱高速轴的对中工作是一项重要的设备调整项目，齿轮箱和发电机之间的同轴度关系到设备运转的稳定性和重要部件的寿命。进行发电机高速轴对中工作往往需要纯人手盘车，由于风力的不确定性，齿轮箱高速轴的转矩时刻变化，给机械对中的工作人员和对中设备带来危险，因此对中工作中往往设定了风速的限制。纯人手盘车增大了劳动强度，也降低了对中的调整精度和对中的效率。为了克服对中工作中的种种不利因素，笔者经过长时期的思考和研究，设计出了一款专门用于双馈型风电机组对中工作的机械盘车装置，本文将详细阐述该设备的设计过程及工作原理。

1 风电机组对中工作介绍

在某型号1.5MW双馈型风力发电机组中，发电机轴和齿轮箱高速轴通过一个柔性联轴器相连。联轴器装配时的主要技术要求是保证两轴线的同轴度。过大的同轴度误差将使联轴器、传动轴及其轴承产生附加载荷，其结果会引起设备的振动、轴承的过早磨损、机械密封的失效，甚至发生部件疲劳断裂事故。所以风电机组定期要进行一次对中检查工作，以消除运行中造成的同轴度误差，延长发电机和齿轮箱使用寿命。

发电机对中工作的具体做法是，缓慢旋转联轴器，通过激光对中仪在旋转过程中的测量，得出前后两轴同轴度误差，并通过对发电机地脚螺栓的调整，将同轴度误差调整到允许的范围内。该型风机的联轴器没有设计相应的盘车工具，以往的做法是在风速小于8m/s的天气下，由多人合作，在松开叶轮锁和高速轴刹车的情况下，用手直接驱动联轴器旋转。由于风速的大小和方向是不可控制的，所以经常出现转速和转向的突然变化，工作人员手上承受的载荷是不确定的，安全得不到有效的保障；由于液压刹车控制有一定的滞后性，盘车的位置精度也得不到保证。所以设计一款安全性高、操作简单、定位准确的盘车设备就很有必要了。

2 风电机组盘车工具的设计和制造

2.1 驱动装置的设计

1）安装位置设计。由于受到风机机舱设备的尺寸和空间限制，安装设备时可以选择的位置十分有限，同时要考虑如何与柔性联轴器相连，还需要考虑具体的传动方式。经过几番设计和论证，整套设备采取齿轮传动方式。联轴器法兰面有一圈螺栓孔可以利用，可以将驱动齿轮通过螺栓连接到联轴器法兰端面。对中工作中，考虑激光对中仪回转半径，驱动装置必须留出对中仪激光发射器的回转空间，因此，齿轮传动中心距要大于这个尺寸。同时考虑到齿轮尺寸和重量不宜过大，因此设计采用过渡齿轮结构；2）驱动、制动扭矩设计。叶轮开桨时额定发电功率下的最大扭矩约为8 000Nm，盘车驱动设备最大扭矩载荷应能满足此扭矩值的强度要求。在桨叶顺桨的情况下，其风力扭矩载荷是很小的，实际值不到额定扭矩的1/10。整个装置按机组最大扭矩进行设计，在实际操作过程中是有很大安全裕度的；3）驱动方式设计——棘轮扳手驱动方式。该装置使用棘轮扳手进行驱动，考虑到操作空间的限制，棘轮扳手力臂不能长于500mm。以最大扭矩 8 000Nm的条件下，人手的最大驱动力为200N左右来设计传动装置，即使在极限条件下，人力可以达到，且不是十分费力。因此设计采用系统总传动比选择为75；4）重量控制。考虑到设备运输、安装时的简易性和重量，应采取相应的减重措施，通过减重处理，在不降低设备安全性的前提下，将设备控制在 50kg以内；5）功能设计。通过以上条件对盘车装置进行了初步结构设计，如图1所示。

图1 盘车装置设计图

图1中，2号部件为双向逆止超越离合器，该双向逆止超越离合器的输入端与棘轮扳手的端部匹配，输出端与力矩倍增器的输入端连接。该驱动装置提供能产生可靠的驱动和制动力矩，当人在驱动时，联轴器可以按操作者意图正转或反转，当驱动力撤掉后，该装置可以自动处于锁定状态，齿轮箱传递来的扭矩，不能使联轴器转动，从而保证整个叶轮安全制动。图1中，13号部件为大齿轮，因为发电机轴的轴向没有断开，所以联轴器驱动齿轮被线切割为对称的两部分。图中12、13号部件，小齿轮和大齿轮之间应满足现场条件和设备条件，保证轮系的装配精度和运转间隙。同时，尽量减少操作步骤和连接件的数量。

2.2 装置安全性设计和测试

装置最重要的是安全可靠，避免任何人身、设备安全事故，为此须进行如下步骤。

1）齿轮强度计算

（1）小齿轮模数设计。中心距a=294mm；计算模数M= 0.02* 294=5.88 mm，实际取模数为6mm。

（2）齿轮模数验证。经弯曲强度计算，模数应能满足：

其中，T1 小齿轮传递的额定扭矩为3 500Nm（联轴器最大扭矩15 000Nm）；K为载荷系数；φm为齿宽系数；YF为齿形系数；бFP 为弯曲疲劳极限应力。校核模数m1.341，放大20%为m’=1.2m=1.61< 6mm（小于参考值），设计合格。

2） 螺栓强度计算

对于优质低碳钢的M20的螺栓，其单位mm2面积的切应力为300MPa计算，单个螺栓面积200mm2能承受的剪切力为60 000N，6个固定螺栓，由于齿轮分成两半，按5个螺栓的强度进行校验，是300 000N的剪切力，按作用力臂为0.1m计算，6个M20的固定螺栓总共可以承受扭矩为30 000Nm，满足设计的15 000Nm的扭矩要求。

3 设备优势

3.1 消除人身及设备安全隐患

由于风能产生的力矩可能大于控制力矩，因此当风力风向突然变化时，人员由于突然改变转速、力矩和风向（如由原来的阻挡作用变为拖动作用），可能造成人手来不及脱开而被带入设备；在来风即转的状态下，原本静止状态下的主轴可突然启动，造成周边作业人员伤害。对于设备，由于激光对中仪固定在主轴法兰盘上，当主轴随机转动不受控时，对中仪有可能与配电环或其它结构干涉而损坏。

由于该装置具有双向逆止功能，即在不要求转动的情况下，正转或反转均被有效控制在静止状态。当驱动装置从液压制动钳处接管主轴之后，便可使风电机组传动链全时受控，从而消除了安全隐患。

3.2 提高调试性能和精度

调试需要的状态是，当需要主轴转动时，应在操作人员的驱动下，以所需的角速度，平稳、精确的实现所需的角位移；当不需要主轴转动时，应不论负载如何作用，即不论风能产生的扭矩方向和大小如何变化，主轴都处于锁定状态。

此驱动装置具备如下性能指标：正向传动速比足够大，能够使驱动力矩大于风能力矩；正向传动速比足够大，主轴角位移足够精确；手动输入旋转一周，主轴仅转过4°左右。

3.3 可减轻作业强度，提高调试效率

此设备具备充裕的驱动和制动力矩，与手盘车相比，扩大作业风速条件范围，风力较大时也可操作。操作轻便省力，当主轴负载力矩为4 000Nm时（设为增速机额定扭矩的一半），手动输入力矩仅为45Nm。此外，此设备还具备了随时停车的功能，免去液压制动器的多次操作，节约调试时间。

3.4 较高的性价比

该驱动装置有着十分显著的成本优势，不需要现场电源就可以驱动，安装拆卸方便。同时避免在刹车盘位置加工驱动齿轮的必要，降低了风电机组设备的加工成本。

在完成设计的基础上，笔者加工出一套样机，并在某风场进行了功能性测试。该设备安装位置合理，且便于安装。可以实现带动风机高速轴正转、反转，以及在撤去驱动力后有效制动叶轮的功能。经过多次分析和论证，以上盘车设备的设计符合1.5MW双馈风力发电机组发电机对中工作的实际需要，已申请相关专利，并在风电场检修维护工作中投入使用。

参考文献

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