風(fēng)電齒輪箱平行齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.概述
    對于兩級行星一級平行軸結(jié)構(gòu)的風(fēng)電齒輪箱，當(dāng)傳遞功率級別相同而接口尺寸發(fā)生變化時，考慮到行星輪的匹配較為復(fù)雜等因素，通常的辦法就是改變平行軸齒輪傳動參數(shù)從而設(shè)計(jì)出符合用戶要求的齒輪箱結(jié)構(gòu)。但在相應(yīng)的中心距和傳動比，傳動功率等都已經(jīng)確定的情況下，需要綜合考慮多方面的因素，才能設(shè)計(jì)出傳動質(zhì)量和承載能力符合要求的齒輪副。
    本文以南機(jī)公司生產(chǎn)的某兆瓦級風(fēng)電齒輪箱的三級平行軸齒輪傳動為實(shí)例，介紹其設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。該齒輪副接口要求，中心距615mm，小齒輪轉(zhuǎn)速1733.7r/m，功率1682.5kW，傳動比5.72土0.05。
2.齒輪傳動的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    2.1標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計(jì)
    根據(jù)中心矩及傳動比要求，先按標(biāo)準(zhǔn)齒輪設(shè)計(jì)，初步確定齒數(shù)，模數(shù)，齒寬等參數(shù)，通過計(jì)算確定其齒輪副基本幾何參數(shù)如表1所示：
    計(jì)算其傳動質(zhì)量性能指標(biāo)，并根據(jù)S06336計(jì)算其齒面接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，如表2所示：
    通過校核可知該齒輪副彎曲和接觸疲勞強(qiáng)度均較低，不能達(dá)到風(fēng)電齒輪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC61400或GL規(guī)定的要求。因此必須對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　2.2變位齒輪設(shè)計(jì)
　　為了提高齒輪齒根強(qiáng)度，首先將壓力角增加到25度，同時在考慮不增加太大軸向力的情況下，將螺旋角增加到8.5度以增加軸向重合度從而提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度。在壓力角和螺旋角調(diào)整后，重新計(jì)算其總的變位量為：-0.4242，然后對變位系
數(shù)進(jìn)行選擇分配。
　　由于齒輪變位系數(shù)的選擇時要受加工不根切、不頂切，齒頂不過薄，保證重合度及不產(chǎn)生過度曲線干涉等限制，所以對變位系數(shù)分配的優(yōu)化就一直是齒輪傳動行業(yè)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。在目前公開文章中，都是利用齒輪變位系數(shù)的相關(guān)限制條件，提出優(yōu)化目標(biāo)，并進(jìn)行計(jì)算得出，其過程均較為復(fù)雜。齒輪設(shè)計(jì)手冊里變位系數(shù)的分配一般是通過查圖表得來，在有些文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中變位系數(shù)的分配可以用解析法表示，在此我們重點(diǎn)考慮齒輪滑動系數(shù)的影響。

　　齒輪傳動時，由于兩齒輪齒廓嚙合點(diǎn)的線速度不同，兩齒廓之間必將產(chǎn)生相對滑動。從而產(chǎn)生摩擦，使兩齒廓受到磨損。又由于兩齒廓在不同嚙合點(diǎn)時兩齒廓的相對滑動速度不同，所以齒廓上各部分受到的磨損程度也不一樣。設(shè)Dsl和Ds2為兩嚙合齒廓在點(diǎn)K附近于同一時間Dt內(nèi)分別走過的兩小段小弧，由于相對滑動，所以Dsl和Ds2并不相等，其差成為滑動弧。顯然滑動弧愈大說明齒廓的相對滑動速度愈大，對齒廓相對磨損程度也愈嚴(yán)重。單滑動弧并不能完全說明兩齒廓上任一點(diǎn)的磨損程度，因?yàn)榛瑒踊升X廓來說都相同，但在同一時間內(nèi)，兩齒廓所走過的弧長Dsl和Ds2并不相等，走過較長弧的齒廓磨損程度輕于走過較短弧齒廓的磨損程度，所以滑動弧與齒廓所走過弧長的比值 (Dsl-Ds2) /Dsl和(Ds2-Dsl) IM的極限值才反應(yīng)出兩齒廓在該點(diǎn)K處的磨損程度。此比值的極限值我們稱為齒廓在該點(diǎn)的滑動系數(shù)。
　　所以對于滑動系數(shù)的應(yīng)用，我們一要選擇合適的參數(shù)盡量使兩齒廓的滑動系數(shù)相近，二是要利用齒輪微觀修形等手段盡量降低實(shí)際運(yùn)行中的滑動系數(shù)，使其盡量小于1。
　　經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和調(diào)整，綜合考慮大小齒輪彎曲強(qiáng)度，最后我們確定齒輪參數(shù)如表3所示：
　　此時齒輪傳動質(zhì)量指標(biāo)和安全系數(shù)如表4所示：
　　由上表4可知，通過齒輪變位等一系列優(yōu)化，其重合度增大，滑動系數(shù)減小，傳動質(zhì)量提高，其接觸和彎曲疲勞安全系數(shù)得到大幅提高，達(dá)到了GL規(guī)定的接觸疲勞安全系數(shù)大于1.2,彎曲疲勞安全系數(shù)大于1.5的要求。