超精加工大型行星齿轮系统技术方案

一种用于风力涡轮发电机输入级的新型改进的大型行星齿轮系统。这种改进的行星齿轮系统减少或消除了通常从轮齿上产生的润滑碎屑，由此消除了引起轴承失效的根源。为了达到这些效果，采用化学加速振动抛光将行星齿轮系统的一些以及优选为全部轮齿超精加工到表面粗糙度大约为０．２５微米或更小。本发明专利技术使得齿轮箱的金属碎屑减少、承压寿命提高、磨损减少、振动摩擦噪声降低、接触疲劳得到改善、接触强度提高、润滑得到改善、使磨合工序简化以及提高齿轮箱的耐用性和效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于大型齿轮箱的新型改进的输入行星级。本专利技术中提及地输入行星级是用于具有500kW及更大输出额定功率容量的风力涡轮发电机。
技术介绍
风力涡轮发电机被认为是产生电能最节省成本并环保的方法之一。目前各种风力涡轮机被设计和构造成产生超过5MW的电能。大多数风力涡轮机的关键部件是其齿轮箱，齿轮箱在低速时承受变化的高负载并具有20年的设计寿命。风力涡轮机的制造者和使用者特别希望使这些齿轮箱更加耐用和高效。现代大型风力涡轮发电机(500kW及更大)是通常采用大型行星齿轮系统作为输入级的重型设备。这些安装在高塔顶部的重型齿轮箱经常位于边远地区例如在山上或海上，经历风力和温度的急剧波动，并经常暴露于侵蚀性海水环境和/或磨蚀性颗粒中。齿轮箱发生故障时需要使用大型装备移走该齿轮箱、用制造厂的工具对其进行修复，接着将其重新安装在边远地区。同时产生的发电损失也使齿轮箱本身的成本很高。制造者认识到在满载励磁操作前从轮齿的啮合表面上清除峰值粗糙点(peak asperities)可提高齿轮箱的使用寿命。清除峰值粗糙点有两个明显的好处。首先，可以减少金属与金属的啮合量，这种金属与金属的啮合会产生润滑碎屑并众所周知会对齿轮和承压面具有破坏作用。其次，可以改善材料比率(Rmr)，所述材料比率是对可支承负载的轮齿表面面积的一种度量。本行业认定只要没有产生任何明显的冶金上的损伤或没有产生任何对导入面和轮廓的几何形状的明显改变，任何清除峰值粗糙点的工艺技术都是等同的。例如在航天工业中经常采用齿轮珩磨减少峰值粗糙高度。一直考虑在风力涡轮机的齿轮箱上采用珩磨，只是由于大多珩磨装备仅限于加工具有12英寸或更小直径的齿轮，这就在成本上限制了珩磨在上述大型齿轮上的应用。因此，现在的风力涡轮机的齿轮通常具有磨光的齿侧面，并被建议通过磨合工序运行以从接触表面上清除峰值粗糙点。多年来一直认为，当采用化学加速振动抛光使相互配合的啮合表面都各向同性地被超精加工到小于大约0.075微米的算术平均粗糙度(Ra)时可以获得对承压面的最佳性能效益。同样地，在汽车赛车用传动装置内的齿轮在高负载下以较高的节线速度运行，其得益于具有从0.3微米到小于0.025微米轮齿光洁度Ra的各向同性超精加工过程。这种超精加工后的齿轮承受很小的啮合疲劳、运行温度、摩擦、噪声以及振动。超精加工带动了流体动力润滑(HL)或弹性流体动力润滑(EHL)的发展。在运行过程中通过连续润滑油膜使相互配合的轮齿完全分离时存在HL。在运行过程中当分离润滑油膜的形成受啮合表面的弹性变形影响时，受到高负载的相互配合的轮齿上存在EHL。因此，通过HL或EHL在高速或高负载运行过程中，超精加工的汽车赛车用传动装置几乎没有承受任何配合轮齿之间金属与金属的啮合。与汽车赛车用传动装置形成鲜明对比，在风力涡轮发电机行业中采用的输入行星级齿轮是在明显不同的工况下运行。在风力涡轮机的应用中，齿轮在低节线速度下承受非常高的变化负载，从而可以预测到产生临界润滑而不是流体动力润滑(HL)或弹性流体动力润滑(EHL)。当运行过程中相互配合的轮齿被润滑液弄湿但润滑油膜的厚度小于结合在一起的配合表面的粗糙度时存在临界润滑。由此，润滑油膜可被峰值粗糙点穿透，并且金属与金属的接触从轮齿处产生金属碎屑。常规制造的精磨的风力涡轮机的轮齿(参见“风力涡轮机的齿轮箱设计和规格标准”(Stardard for Design and Specification of Gear Boxes forWind Turbines)ANSI/AGMA/AWEA6006-A03)在下文描述的磨合工序后有望达到Ra＝0.5-0.7微米的表面光洁度。然而，本领域的技术人员会认识到常规制造的空心轮具有更高的表面光洁度。AGMA标准建议这种齿轮的光洁度不超过Ra＞1.6微米。0.5-0.7的光洁度被认为是足以避免大多金属与金属的侧面啮合。同时有理由相信这种表面条件将会引起缓慢移动轮齿所需的明显的润滑液的滞留，由此获得最合理的润滑状况。但风力涡轮机的齿轮箱的主要故障源是承压面损坏。尽管通过磨合达到了上述光洁度，但在行星齿轮级轮齿上仍然有金属与金属轮齿的啮合并产生润滑碎屑，这些润滑碎屑反过来又导致快速的承压面损坏。相反，化学加速振动超精加工达到的Ra＜0.3微米状态被认为对大型风力涡轮发电机来说是太光滑了，因为齿侧面没有足够用于运行的润滑液滞留，可预测到会产生轮齿损坏。因此，问题是采用化学加速振动抛光对输入行星级的超精加工是否提高了齿轮箱的任何品质值。只有超长和高成本的现场试验才能提供这一结果。另外，本领域技术人员认为构成大型风力涡轮发电机的输入行星级的大型厚重齿轮不能通过在化学加速振动抛光加工中采用的振动抛光设备进行加工。该振动抛光设备是筒状或箱状。对于输出功率500kW或更大的发电机来说输入行星级齿轮通常为200kg或更大。这一齿轮重量被认为是超出了振动抛光设备的正常操作范围。特别是，重量从400kg到大于5000kg的大型空心齿轮(环形齿轮)被认为是不可能在大型振动抛光滚筒中被超精加工的。本领域的技术人员已经预见到这种具有相当小的横截面积的大质量齿轮将会直接沉入滚筒的底部，使衬套、齿轮或二者都损坏。此外，一直认为是厚重的齿轮使用于振动抛光设备上的陶瓷介质破裂，因为较高压力作用在所述介质上。由陶瓷介质被压碎而产生的碎片具有锐利的尖和边缘。这些介质碎片被预测为没有使轮齿的临界啮合表面修整到超精加工的状态，而是损坏了这些表面，导致了这些表面的粗糙、擦伤甚至是撞瘪，尤其是在压力最大的滚筒底部附近。这种损坏一直对更软的穿透淬火(32-40HRC)的空心齿轮有明显的增大。由于破裂造成的可预见的介质的快速磨损也增加了难以承受的加工成本，同时引起了阻塞和妨碍加工机械排放的问题。另外，在加工空心齿轮时，一直认为在横跨轮齿的导入面的介质压力强度上存在差异。在更靠近滚筒的底部的轮齿上的介质压力大于顶部附近的介质压力。结果，更多的材料被认为是从轮齿底部附近移动到轮齿顶部附近。因此振动加工的空心齿轮最终是超出了尺寸公差。可以通过在加工中途移动齿轮、将其翻转、再放回到滚筒中并继续加工的方法来部分地缓解上述问题。但应该指出翻转这种大型齿轮是耗费时间并有可能存在危险的。同时，轮齿的部分中心宽度在抛光时会被加工两次，这就有可能引起齿形的最终变化。上述预见的每个缺陷一直被认为是使这种对大型空心齿轮的超精加工在工业上无法实施并无法预料的原因。对构成风力涡轮机齿轮箱的输入行星级的其它齿轮的化学加速振动抛光也一直被认为存在同样的缺陷。这些公知为行星轮和太阳轮的齿轮同样是大质量的，通常每个重量超过200kg。这样，本领域的技术人员已经预见到它们不能用振动抛光机进行加工，无论抛光机是筒状还是箱状。因此，风力涡轮机行业不能够认识到这种超精加工为齿轮箱的输入行星级带来的益处。应该指出的是，希望能够在大型输入行星齿轮级上采用穿透淬火的空心齿轮代替气体渗氮或气体渗碳的空心齿轮。穿透淬火的空心齿轮制造成本更低。气体渗氮是高成本且耗时的，并在轮齿表面产生非常坚硬、脆性的“白层”。本领域的技术人员认识到这种白层在使用齿轮之前必须被清除。但通过磨光清除白层费用很高，而且还有毁坏空心齿轮的危险。另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括空心齿轮、两个或多个行星齿轮以及太阳齿轮，其中，所述空心齿轮、两个或多个行星齿轮以及太阳齿轮中的一个或多个包括被超精加工到一表面粗糙度的多个齿，所述表面粗糙度足以减少积聚在所述行星齿轮箱内的润滑碎屑。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M米绍，E苏默斯，
申请(专利权)人：雷姆技术公司，奥尔索有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]