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      霍夫勒Hoefler RAPID I系列迎接風電齒輪箱大型內齒精加工的挑戰
      2023-05-18 12:33:30

      HOEFLER(霍夫勒)圓柱齒輪磨齒機可滿足大型行星輪行星輪組件制造需求。RAPID I系列磨齒機配備有內磨頭,可確保大模數內齒輪加工的穩定性和可靠性。 


      出色的傳動機構需要滿足重量小、傳動比高、損耗低和噪聲低的要求。這些要求可通過行星輪組來實現。


      行星輪組的尺寸規格跨度很大。例如,既有應用于醫學技術領域的微型齒輪組,也有應用于風力渦輪機領域10MW大型齒輪組。


      行星齒輪組基礎設計

      一個行星輪組包括若干個傳動元件:一個太陽輪、一個內齒輪、一個或若干個由行星架支承的行星輪。雖然行星輪組可以僅使用一個行星輪,但若干個行星輪可以協助動力分配(參見圖1)。 

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      圖1:帶有三個行星輪的行星輪組圖示 


      簡單理念,挑戰性細節

      雖然行星輪組的設計理念很簡單,但是細節往往決定成敗。如果只有一個行星輪,且所有行星輪組元件均由軸承支承,那么該行星輪組為靜定結構。如果齒輪組中帶有若干個行星輪用于分配太陽輪和內齒輪之間的動力,那么整個系統就變成超靜定結構。任何制造偏差會導致載荷分布不均勻,長時間出現偏差將會降低齒輪的額定使用壽命。如果行星架沒有按照特定的規格進行生產,將會導致行星輪傳動載荷分配不均勻。 


      對于帶有三或五個行星輪的齒輪組而言,如果有兩個行星輪通過無軸承的方式進行安裝,且僅依靠各自的配對齒輪來支撐,則可以不采用超靜定結構。這個方法適用于直齒輪。然而,對于斜齒輪而言,任何時候都需要軸承支架來吸收軸向力。


      為了使超靜定行星輪組避免出現這個情況,需要使用彈性機械系統?,F有不規則載荷通過彈性變形進行補償,可以通過制作薄內齒圈來實現。在所有行星輪分配載荷時,內齒圈產生變形?;蛘咄ㄟ^徑向太陽輪軸承進行齒輪組設計,以使太陽輪和行星輪之間產生近似齒面接觸區。 


      行星輪組的作用:車輛傳動、風電齒輪箱

      目前,絕大多數行星輪組被用于內燃機車的自動傳動。所使用的內齒圈直徑范圍介于150mm-200mm之間,在經過加工和氮化處理后才進行組裝。行星輪和太陽輪采用滾齒和展成磨削的方式進行加工。通過這樣的生產途徑,對行星輪進行齒面修形。如有必要,也可以對太陽輪進行齒面修形。 


      用于風電渦輪

      對于用于風電齒輪箱的大型行星輪組而言,其技術要求是最為嚴格的。齒輪箱和中速發電機組合仍然是實現最低平準化度電成本(LCOE)最佳選擇。一個機械結構簡單的直驅式發電機具備3MW輸出能力,總重超過90噸。而一個具備相同輸出能力的中速發電機(包括必要的齒輪箱)僅重36噸。這將使得整個風力發電機塔筒結構、地基和現場調試變得更加簡單。另外,齒輪箱結構有助于減少使用昂貴材料,例如:銅和稀有金屬。對于10MW及以上的風力發電機組,二級或三級行星輪組用于將降低轉子(低于10rpm),和發電機(400rpm)的速度。


      圖2為二級風電行星齒輪箱圖示。大轉子驅動行星架。內齒輪處于靜止狀態,太陽輪通過若干個行星輪以更快的速度進行驅動,太陽輪再驅動二級行星輪組的行星架,然后再將二級太陽輪連接至發電機。

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      圖2:二級風電行星齒輪箱


      在這個性能級別上,齒輪箱的效能發揮著重要作用。哪怕只有0.1%的損失,對于10MW而言也相當于齒輪箱中10kW的輸出功率被浪費掉。除了技術因素對部件壽命的影響,環境適應性要求會越來越高。風力發電正處于產能爬坡期,這是“能源轉型”的結果(德國計劃向低碳和無核化經濟轉變)。風電機組越來越接近居民區,因此應對背景噪聲進行隔音處理。由于齒輪嚙合頻繁,行星輪成為該應用的更優解決方案。即便如此,風電機組的噪聲排放應降低至盡可能低水平。解決齒輪箱的噪音問題需要針對齒輪箱的嚙合齒輪進行宏觀和微觀幾何形態研究。 


      最大挑戰:內齒輪齒

      從生產的角度來看,內齒輪齒精加工最為棘手。由于是超靜定結構,內齒必然表現出彈性性能,進而使行星輪盡可能穩定地傳輸載荷。在這種彈性的作用下,嚙合齒輪在載荷條件下產生位移。 


      內齒輪中的載荷只施加在單側齒面上,被動齒面只需針對所產生的位移進行修形。主動齒面需要對位移和載荷變形進行修形(參見圖3)。

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      圖3:內齒輪標準齒形修形示例


      相同原理應用于不同的修形要求。被動齒面和主動齒面的修形要求各不相同。內齒磨削需要采用經濟可行的方式,即:雙面磨削法。對于不同的修形要求,磨削方案必須能夠處理非對稱和修形量大的情況,在雙面磨削的同時保持正確的拓撲結構。這就要求磨齒機應可以提供多個自由活動空間,具有超越常規內磨臂的加工能力。


      新型RAPID I系列


      產品概述

      RAPID I系列:非常適用于大型行星輪組內齒輪精加工非常復雜,被動齒面和主動齒面的修形要求各不相同。這就是為什么磨削方案必須滿足在雙面磨削情況下加工大修形量的不對稱齒面時應保持正確拓撲結構的原因。這就要求磨齒機應可以提供多個自由活動空間,具有超越常規內磨臂的加工能力。RAPID I系列采用的就是這種方案。


      多年來,KLINGELNBERG(克林貝格)公司一直致力于為上述生產需求開發出相應的優秀解決方案,以應對功率密度遞增所帶來的挑戰。HOEFLER RAPID系列圓柱齒輪成形磨齒機和RAPIDI系列磨齒機(參見圖4)配備有I1或I2型號內磨頭,可確保大模數內齒輪加工的穩定性和可靠性。2006年以來,我們大約有30臺同類設備被客戶所使用,使用效果很好。近年來,上述產品的需求增長明顯。 

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      圖4:HOEFLER RAPID 4000 I型號圓柱齒輪磨齒機

      (加工工件直徑可達4000mm) 

                                                           咨詢電話:135 2207 9385


      設備介紹

      在RAPID 2500-6000型號中,有兩種功率規格的內磨頭可供選擇。設備型號表明了可以加工內齒輪齒的最大外徑。


      以RAPID 5000 I型號為例,靜壓工作臺最大承重為50噸,處理工件直徑為2600mm。RAPID系列磨齒機模塊化系統提供各種行程長度,可供選擇。例如,I1型號的磨削主軸功率為29kW。I2型號的磨削主軸功率為22kW。驅動輸出允許的最大齒形高度分別為100mm(I1型號)和60mm(I2型號),其最大砂輪寬度分別為100mm(I1型號)和80mm(I2型號)??杉庸つ捣秶s為1-43mm(I1型號)和1-26mm(I2型號)。這種設計是為了適應更長的內齒插入深度。I1型號的內齒插入深度為1000mm,I2型號的內齒插入深度為800mm。這點非常重要,特別適合不斷增加的齒輪寬度。 


      精巧的動力學設計

      RAPID I系列磨齒機具有先進的動力學系統。 


      配有力矩電機的高速旋轉軸與內磨頭連接,可達到高水平的定位精度和剛性。同時安裝有切向軸,其旋轉角度范圍為±35°。在這個緊湊型設計中,旋轉中點位于砂輪中,在大螺旋角工件加工時可以盡可能大程度地降低工件的干涉風險。 


      雙面嚙合拓撲磨削

      在這個雙滾輪系統中,修整修形裝置直接安裝在內磨臂中,為拓撲修形提供各種自由活動空間,同時結合進給軸和內磨頭切向軸。憑借精巧的設計,高度靈活的內磨頭可以實現5軸同步加工。在這個設計中,還可以在雙面嚙合磨削條件下加工復雜齒形和齒向修形。這個功能在KLINGELNBERG(克林貝格)外齒磨齒機中是比較常見的。


      大型工件的多種機床選擇

      安裝在機床中的測量檢測裝置可以降低重新加工的成本。在處理沉重和加工難度大的工件時,這是保證安全可靠生產的重要前提條件。


      大型內齒圈設計應包括重量優化,因為在加工過程中重量問題會嚴重影響部件的穩定性。Duplex分支型號(D)擴大了應用范圍。通過簡單地調節內磨頭,可以快速地從內齒磨削模式切換至外齒磨削模式。機床及其部件設計符合人體工程學,顯著地縮短了內磨頭的調節時間。


      另一個分支型號的RAPID AI系列磨齒機具有2個立柱組合,為加工大型工件提供了更高生產效率與靈活性,工件僅需安裝一次。


      便捷Gear Production操作軟件

      當然,KLINGELNBERG(克林貝格)的客戶在RAPID I、D和AI型中也會從可靠、先進的Gear Production 軟件中獲益,該軟件提供眾多選項和功能,既可用于工作準備的預分析,也可在磨削過程中為操作員提供指導(參見圖5)。

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      圖5:齒輪生產設計(GearProduction)軟件中包括許多創新功能,例如:Best-Fit磨削、加工余量分析、多種3D模擬用于分析輪廓干涉,通過直觀技術指南進行復雜的齒面拓撲和齒形修形。


      結 論

      因其尺寸優勢,行星輪組被廣泛地應用于風力渦輪機領域,其行星輪技術要求非常高。其中,難度最高的是內齒輪精加工。傳統的內磨機在這種情況下往往無法滿足要求。而RAPID系列內齒磨齒機提供了更高的靈活性、更好的人機工程學設計以及KLINGELNBERG(克林貝格)的定制化解決方案,在軟件方面尤為突出。其他分支型號的大型部件加工機床為進行齒輪宏觀和微觀幾何形態的優化設計提供了多種可能性,盡可能降低齒輪箱的噪聲。隨著風電行業的興起,風電機組逐漸進入居住區中。屆時,居民將無需再忍受來自風電機組持續發出的背景噪聲。

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