一种风电齿轮箱及齿轮箱输入法兰的制作方法

1.本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种风电齿轮箱及齿轮箱输入法兰。


背景技术：

2.随着风电市场竞争，风电设备价格不断降低，风电机组制造商必须在确保性能满足要求的前提下不断降低制造成本。在机组构成中，传动链的成本及性能直接决定了机组的成本及性能。传统的风电机组传动链由轮毂、主轴系统、齿轮箱、发电机等独立部件构成，需要依靠联轴器、弹性支撑等部件相互连接。
3.为提高市场竞争力，风电机组传动链的发展趋势是将主轴、主轴承、主轴承座、齿轮箱、发电机紧密集成为整体结构，取消弹性支撑和部分联轴器等部件，且共享箱体结构，以此来减少零部件数量和缩短传动链长度，从而实现降低成本的目的。此种结构的机组通常称为全集成传动链风电机组。参阅图1和2，目前常规全集成传动链中，其齿轮箱通常采用常规行星增速为主的结构，该结构中，一级行星架输入端通过一定数量的螺栓与风轮主轴刚性连接为整体，一级行星架两侧各布置一个大直径轴承进行支撑；而齿轮箱前箱体与风轮主轴轴承座用螺栓刚性连接为整体；齿轮箱后箱体与发电机定子壳体刚性连接为整体；发电机转子与齿轮箱输出轴直接连接或通过联轴器连接。
4.请参阅图1，可见现有的全集成传动链结构存在以下缺点：1、由于风轮重力及工作载荷的影响，风轮主轴工作中将产生挠曲变形，由于齿轮箱一级行星架以螺栓（或螺栓+销）刚性连接于风轮主轴尾端，风轮主轴挠曲变形将直接传递到一级行星架，导致一级行星架轴心线偏斜和位移，进而严重破坏一级行星齿轮副的啮合状态，影响了一级行星齿轮副的使用寿命；2、为控制一级行星架轴线偏斜和位移程度，降低风轮主轴挠曲变形带来的不利影响，需要在一级行星架两端采用轴承支撑并限位。但由于增加的行星架前支撑轴承靠近风轮主轴尾端轴承，为避免承受过大的主轴变形抗力，行星架支撑轴承只能选用大游隙值的圆柱滚子轴承，以大游隙值容纳主轴传递的部分变形量。由于轴承游隙值大，对风轮主轴挠曲带来的一级行星架偏斜和位移作用有限，还导致传动链结构复杂，计算分析困难；3、由于风轮主轴与一级行星架刚性连接，该轴系上共安装有四个大型轴承，大幅度增加了材料成本；4、由于风轮主轴与一级行星架是刚性连接，为保障风轮主轴上的两个轴承与一级行星架上的两个轴承正常工作，风轮主轴和一级行星架的轴承安装轴径处、以及风轮主轴轴承座和齿轮箱前箱体的轴承座安装孔处的尺寸精度和形位公差要求必须严格控制，这增加了加工难度和加工成本。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种齿轮箱输入法兰及风电齿轮箱，以至少解决现有风电机组全集成传动链结构中，风轮主轴挠曲变形影响风电齿轮箱使用寿命的
技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：本发明的第一方面，提供一种风电齿轮箱，所述齿轮箱内至少设有一级行星传动机构，所述一级行星传动机构包括一级内齿圈、一级行星轮、一级行星架和一级太阳轮，所述一级内齿圈套设于一级太阳轮外周并与一级行星轮啮合传动；所述齿轮箱包括相互连接的前箱体和后箱体，所述一级行星架与前箱体的内壁固定连接；所述一级内齿圈的外周套设有输入法兰，且所述一级内齿圈的外周壁开设有外花键；所述输入法兰远离后箱体一端用于与风轮主轴尾端固定连接，所述输入法兰朝向后箱体一端内壁开设有与所述外花键相适配的内花键，以便于所述输入法兰与一级内齿圈花键连接，进而使得所述风轮主轴通过输入法兰向一级行星传动机构传递扭矩，且所述内花键与外花键之间具有间隙，以使所述一级内齿圈能够相对输入法兰浮动。
7.可选地，所述输入法兰包括同轴连接的法兰基座和法兰套筒，所述法兰基座远离法兰套筒一端用于与风轮主轴尾端固定连接，所述法兰套筒内壁开设有所述内花键。
8.可选地，所述外花键轴向的两侧分别设置有第一限位件和第二限位件，且所述第一限位件和第二限位件均设置于输入法兰上，以用于对所述一级内齿圈作轴向限位。
9.可选地，所述第一限位件包括设置于所述法兰套筒内壁且靠近法兰基座一侧的挡块，所述第二限位件包括可拆卸地设置于所述法兰套筒远离法兰基座一侧的挡片。
10.可选地，所述前箱体包括依次连接的敞口部、变径部和连接部；所述敞口部远离变径部一端用于与风轮主轴的轴承座可拆卸连接；所述连接部远离变径部一端用于与后箱体可拆卸连接；所述变径部的内壁用于安装所述一级行星架。
11.可选地，所述敞口部外周壁开设有凹槽，所述凹槽有多个并绕敞口部周向均布，以用于减轻所述前箱体的质量。
12.本发明的第二方面，提供一种齿轮箱输入法兰，所述齿轮箱内至少设有一级行星传动机构，所述一级行星传动机构包括一级内齿圈、一级行星轮、一级行星架和一级太阳轮，所述一级内齿圈套设于一级太阳轮外周并与一级行星轮啮合传动；所述输入法兰包括同轴连接的法兰基座和法兰套筒；所述法兰基座远离法兰套筒一端用于与外部动力输入轴尾端固定连接；所述法兰套筒内壁开设有内花键，以用于与所述一级内齿圈外壁设置的外花键相配合，以使得所述外部动力输入轴通过输入法兰向一级行星传动机构传递扭矩，且所述内花键与外花键之间具有间隙，以使所述一级内齿圈能够相对所述输入法兰浮动。
13.可选地，所述输入法兰上还设有第一限位件和第二限位件，以使所述外花键夹设于第一限位件和第二限位件之间，进而用于对所述一级内齿圈作轴向限位。
14.可选地，所述第一限位件包括设置于所述法兰套筒内壁且靠近法兰基座一侧的挡块，所述第二限位件包括可拆卸地设置于所述法兰套筒远离法兰基座一侧的挡片。
15.可选地，所述法兰基座和法兰套筒之间通过辐板连接，且所述辐板设置有多个，多个所述辐板绕输入法兰周向均布。
16.由上述技术方案可知，本发明的有益效果：1）齿轮箱的输入法兰采用薄壁结构，能够自动变形，补偿风轮主轴的挠曲变形；当风轮主轴尾端由于工作载荷引起的挠曲变形传递到薄壁法兰时，法兰的薄壁结构相应发生变形，自动适应主轴带来的挠曲，实现对轴心线的偏移进行补偿，避免将过大的主轴挠曲变
形传递到后端，引起一级行星架变形，进而破坏齿轮副的啮合状态及降低行星轮的轴承寿命；2）齿轮箱输入法兰与一级内齿圈外花键的浮动连接进一步提高了行星齿轮副的啮合可靠性；薄壁法兰产生变形适应主轴的挠曲变化时，其外侧的内花键相应产生轻微的变形及位移，经过浮动花键副的隔离，一级内齿圈受到的影响进一步被隔离，确保齿轮副啮合处于良好位置；3）齿轮箱一级行星齿轮传动机构采用齿圈与太阳轮旋转、行星架固定的结构，均载效果好，润滑简单可靠；在该风电齿轮箱一级行星传动结构中，除太阳轮浮动均载外，由于一级内齿圈外侧为浮动花键，可以径向位移，工作中也能为多分流一级行星轮提供均载效果，因此一级行星轮均载效果非常好，尤其利于一级行星传动机构采用更多数量的行星轮，发挥出行星齿轮箱功率密度高的优势；另外，该风电齿轮箱一级行星传动结构中的行星架为固定在前箱体上，润滑油路可以直接连通到行星轮轴承位置，无需考虑行星架旋转带来的油路密封问题，因此行星轮润滑简单可靠，寿命有保证；4）齿轮箱无行星架支撑轴承，结构简单，成本低；由于该风电齿轮箱一级行星传动结构中的一级行星架为固定在前箱体上，不需要旋转，因此无需设计支撑轴承，简化了箱体部件的制造难度，减少了精密轴承的应用数量，大幅度降低了成本。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
18.图1为现有全集成设计风电机组传动链的结构示意图；图2为现有风电齿轮箱的内部结构示意图；图3为本技术改进的全集成风电机组传动连接结构示意图；图4为本技术风电齿轮箱的内部结构示意图；图5为图4中a处的局部放大图；图6为输入法兰的结构示意图；图7为本技术风电齿轮箱的立体结构示意图；附图标记：1-风轮主轴、2-轴承座、3-前箱体、4-后箱体、5-一级行星传动机构、6-二级行星传动机构、7-二级行星传动机构、8-发电机、9-输入法兰；21-主轴前轴承、22-主轴后轴承、31-敞口部、32-变径部、33-连接部、41-输出轴、51-一级内齿圈、52-一级行星轮、53-一级行星架、54-一级太阳轮、61-二级内齿圈、62-二级行星轮、63-二级行星架、64-二级太阳轮、71-三级内齿圈、72-三级行星轮、73-三级行星架、74-三级太阳轮、91-法兰基座、92-法兰套筒、93-辐板；311-凹槽、531-行星架前轴承、532-行星架后轴承、921-第一限位件、922-第二限位件。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.请参阅图3-5和图7，本发明提供一种风电齿轮箱，所述齿轮箱内至少设有一级行星传动机构5，所述一级行星传动机构5包括一级内齿圈51、一级行星轮52、一级行星架53和一级太阳轮54，其中，一级行星架53套设于一级太阳轮54外周并与之转动连接，所述一级行星轮52有多个并分别通过轴承以可转动的方式设置于一级行星架53上，且每个所述一级行星轮52均分别与一级太阳轮54啮合传动，所述一级内齿圈51套设于一级太阳轮54外周并与全部一级行星轮52啮合传动。所述齿轮箱包括相互连接的前箱体3和后箱体4，所述一级行星架53与前箱体3的内壁固定连接；所述一级内齿圈51的外周套设有输入法兰9，且所述一级内齿圈51的外周壁开设有外花键；所述输入法兰9远离后箱体4一端用于与风轮主轴1尾端固定连接，所述输入法兰9朝向后箱体4一端内壁开设有与所述外花键相适配的内花键，以便于所述输入法兰9与一级内齿圈51花键连接，进而使得所述风轮主轴1通过输入法兰9向一级行星传动机构传递扭矩，且所述内花键与外花键之间具有间隙，以使所述一级内齿圈51能够相对输入法兰9浮动。具体地，风电齿轮箱的输入端采用薄壁法兰加浮动花键副，隔离主轴挠曲变形的影响，实现主轴与齿轮箱的浮动连接。
21.工作中依靠薄壁法兰的变形结合花键的径向浮动来补偿风轮主轴1的轴线挠曲和偏移，隔离其对一级行星齿轮副的啮合影响，确保一级行星齿轮副在工作中保持良好的接触状态。一级行星传动机构5采用非典型结构，即齿圈与太阳轮旋转，而行星架固定在前箱体3上，由于行星架不再需要两侧的大型支撑轴承，直接大幅度降低了齿轮箱成本；同时，行星架固定连接，油路设计简单，改善了行星轮轴承的润滑；由于主轴与齿轮箱浮动连接且无一级行星架53支撑轴承，简少了传动链轴系轴承配合轴径和箱体轴承安装孔的数量，简化了加工、装配要求，也降低了加工难度和加工成本。通过采用上述结构，形成一种新型的齿轮箱结构。采用新型齿轮箱的全集成传动链能提高机组可靠性，降低机组成本，提升机组竞争力。
22.传统风电行星齿轮传动结构中，齿圈为固定结构不能均载，行星架由轴承约束也不能均载，只有太阳轮为浮动，具有一定均载效果。在本项目的风电齿轮箱一级行星传动结构中，除一级太阳轮54浮动均载外，由于一级内齿圈51外侧为浮动花键，可以径向位移，工作中也能为多分流一级行星轮提供均载效果，因此一级行星轮52均载效果非常好，尤其利于一级行星传动机构采用更多数量的行星轮，发挥出行星齿轮箱功率密度高的优势。
23.一个实施例，在本齿轮箱中，输入部件为薄壁法兰加浮动花键副结构，其中薄壁法兰一端与风轮主轴1通过螺栓（或螺栓+销）刚性连接，另一端为内花键，该内花键与一级内齿圈51外圆的外花键间隙配合，实现浮动连接。采用薄壁法兰加浮动花键副连接后，齿圈和太阳轮旋转，而行星架固定到前箱体3上，不需要采用轴承支撑，因此取消了前箱体3上的轴承安装孔。前箱体3与主轴轴承座2用螺栓刚性连接为整体；第二级和第三级行星结构为传统行星结构；齿轮箱输出轴41一端与第三级行星的太阳轮浮动连接，另一端与发电机转子刚性连结或通过联轴器连结；后箱体4与发电机定子壳体刚性连接。
24.上述实施中，风电齿轮箱在全集成传动链中的连接关系为：轮毂（未在图中标注）
与风轮主轴1刚性联结；主轴靠轮毂侧安装有主轴前轴承21，靠齿轮箱侧安装有主轴后轴承22；主轴前轴承21和主轴后轴承22均安装在风轮主轴1的轴承座2上；齿轮箱输入结构由薄壁法兰和内花键套构成，其中薄壁法兰就是齿轮箱的输入法兰9；薄壁法兰与主轴通过多颗连接螺栓或螺栓+销实现刚性连接，后端的内花键套与一级内齿圈51外圆的外花键浮动连接；前箱体3与主轴轴承座2以螺栓刚性连接为整体；经过三级行星齿轮副增速后，第三级行星的太阳轮连接到输出轴41上；输出轴41与发电机转子通过螺栓刚性连接；发电机定子与齿轮箱后箱体4刚性连接。
25.则上述风电齿轮箱的工作原理为：风轮产生的所有载荷均作用于轮毂，由于轮毂直接与主轴刚性联结，来自轮毂端的风轮推力、重力、扭矩、横向载荷全部传递给主轴；因齿轮箱输入端的薄壁法兰与主轴通过螺栓组或螺栓+销已经刚性连接为整体，主轴将扭矩直接传递给齿轮箱输入端的薄壁法兰，主轴上其余载荷则经过主轴前轴承21、主轴后轴承22传递给主轴轴承座2，进一步传递到机架上；输入端的薄壁法兰后端有内花键套，内花键套设于一级内齿圈51外圆上的外花键间隙配合，构成浮动花键副；薄壁法兰的扭矩经内花键套传递到一级内齿圈51上。当主轴受载后产生的挠曲变形传递到薄壁法兰，由于薄壁法兰刚性较低，相应产生变形，实现对主轴挠曲引起的轴线偏移的补偿，避免将其传递到一级内齿圈51上；同时由于内花键套与一级内齿圈51外圆的花键采用间隙配合，一级内齿圈51可以径向浮动，进一步隔离了主轴挠曲变形对一级行星齿轮啮合影响，确保一级行星齿轮副啮合正常；由于一级行星传动机构采用多分流的行星轮传动，一级内齿圈51还能降低一级行星轮多分流传动的不均载系数，大幅度改善啮合条件。同时，一级行星架53固定于前箱体3内壁，能够方便布置行星轮轴承的润滑油路，避免传统行星架由于其自身旋转导致润滑油难以进入行星轮轴承的难题，大幅度改善了一级行星轮52的润滑；一级内齿圈51的扭矩经过一级行星轮52、一级太阳轮54实现增速后传递到二级行星架63；二级行星架63、二级太阳轮64、二级行星轮62、二级内齿圈61构成第二级行星增速齿轮副，实现第二次增速；二级太阳轮64与三级行星架73通过花键连接，实现扭矩传递；三级行星架73、三级内齿圈71、三级太阳轮74、三级行星轮72构成第三级行星增速齿轮副，实现第三次增速；三级太阳轮74与输出轴41通过花键连接，实现扭矩传递，通过输出轴41将增速后的扭矩传给发电机转子，驱动发电机8发电。
26.本发明提出了一种输入端采用薄壁法兰加浮动花键副连接设计的新型齿轮箱，改变了传统全集成传动链风电齿轮箱的结构，克服了传统全集成传动链齿轮箱由于主轴与一级行星架53刚性连接后，主轴的挠曲变形严重影响一级齿轮副正常啮合的问题。同时减少了轴系轴承数量、降低了轴承安装轴径和座孔的加工精度要求。通过以上新型齿轮箱的创新设计，简化了风电机组全集成传动链结构设计，隔离了主轴挠曲变形对一级齿轮副的啮合干扰，减少了轴承应用数量，降低了零部件的加工难度，改善了一级多分流行星轮润滑条件，最终提高了齿轮箱的可靠性，降低了机组成本，从而提升了机组的竞争力。
27.作为对上述方案的进一步改进，请参阅图6，所述输入法兰9包括同轴连接的法兰基座91和法兰套筒92，所述法兰基座91远离法兰套筒92一端用于与风轮主轴1尾端固定连接，所述法兰套筒92内壁开设有所述内花键。齿轮箱的输入法兰9采用薄壁结构。薄壁法兰中心位置（即法兰基座91）厚度加大，提高刚度，便于以螺栓组（或螺栓+销）连接主轴，而法兰最外侧（即法兰套筒92）为内花键结构；在中心高刚性部位与内花键部位之间的连接壁板
则设计为薄壁结构，该薄壁结构设计仅需要将工作扭矩传递到花键副即可。当主轴后端由于工作载荷引起挠曲变化，传递到薄壁法兰时，法兰的薄壁结构相应发生变形，自动适应主轴带来的挠曲，实现对轴心线的偏移进行补偿。避免将过大的主轴挠曲变形传递到后端，引起一级行星架53变形，进而破坏齿轮副的啮合状态及降低行星轮的轴承寿命。
28.作为对上述方案的进一步改进，所述外花键轴向的两侧分别设置有第一限位件921和第二限位件922，且所述第一限位件921和第二限位件922均设置于输入法兰9上，以用于对所述一级内齿圈51作轴向限位。如，所述第一限位件921包括设置于所述法兰套筒92内壁且靠近法兰基座91一侧的挡块，所述第二限位件922包括可拆卸地设置于所述法兰套筒92远离法兰基座91一侧的挡片。
29.作为对上述方案的进一步改进，请参阅图5和7，所述前箱体3包括依次连接的敞口部31、变径部32和连接部33；所述敞口部31远离变径部32一端用于与风轮主轴1的轴承座2可拆卸连接；所述连接部33远离变径部32一端用于与后箱体4可拆卸连接；所述变径部32的内壁用于安装所述一级行星架53。优选地，所述敞口部31外周壁开设有凹槽311，所述凹槽311有多个并绕敞口部31周向均布，以用于减轻所述前箱体3的质量。
30.本发明还提供一种齿轮箱输入法兰，可应用于上述风电齿轮箱内。所述齿轮箱内至少设有一级行星传动机构5，所述一级行星传动机构5包括一级内齿圈51、一级行星轮52、一级行星架53和一级太阳轮54，所述一级内齿圈51套设于一级太阳轮54外周并与一级行星轮52啮合传动；所述输入法兰9包括同轴连接的法兰基座91和法兰套筒92；所述法兰基座91远离法兰套筒92一端用于与外部动力输入轴尾端固定连接；所述法兰套筒92内壁开设有内花键，以用于与所述一级内齿圈51外壁设置的外花键相配合，以使得所述外部动力输入轴通过输入法兰9向一级行星传动机构传递扭矩，且所述内花键与外花键之间具有间隙，以使所述输入法兰9能够相对所述一级内齿圈51浮动。输入法兰9一侧为薄壁内花键设计，一级内齿圈51外圆加工有外花键，该外花键与输入法兰9上的薄壁内花键套采用间隙配合，实现浮动连接；当主轴在载荷作用下发生挠曲变形及位移时，该浮动连接的花键副能够相应产生径向位移，隔离主轴变形和位移对一级内齿圈51的影响，确保齿轮副啮合处于良好位置。另外，内花键外侧套筒采用薄壁设计，能够在载荷较大时发生一定变形，从而使得花键齿啮合面积相应增大，实现降低花键齿面的接触应力，提高可靠性的目的。
31.作为对上述方案的进一步改进，所述输入法兰9上还设有第一限位件921和第二限位件922，以使所述外花键夹设于第一限位件921和第二限位件922之间，进而用于对所述一级内齿圈51作轴向限位。如，所述第一限位件921包括设置于所述法兰套筒92内壁且靠近法兰基座91一侧的挡块，所述第二限位件922包括可拆卸地设置于所述法兰套筒92远离法兰基座91一侧的挡片。
32.作为对上述方案的进一步改进，所述法兰基座91和法兰套筒92之间通过辐板93连接，且所述辐板93设置有多个，多个所述辐板93绕输入法兰9周向均布。根据需要，薄壁辐板93上也可以开设多个均匀分布的通孔，通孔可以有多种形状；同时，开设通孔可以进一步降低法兰重量，增加法兰柔性，提高变形补偿能力。输入法兰9的中部采用薄壁辐板93设计，具有柔性大、变形容易的特点，能够自动变形，补偿主轴的挠曲变化。当主轴尾端由于工作载荷引起挠曲变化，传递到薄壁花键法兰时，法兰的薄壁辐板93结构相应发生变形，自动适应主轴带来的挠曲，实现对轴心线的偏移进行补偿。避免将过大的主轴挠曲变形传递到后端，
引起一级行星架53变形，进而破坏齿轮副的啮合状态及降低行星轮的轴承寿命。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。