CN106907304A - 一种抗疲劳风机主轴及使用该风机主轴的风力发电机 - Google Patents
一种抗疲劳风机主轴及使用该风机主轴的风力发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种抗疲劳风机主轴及使用该风机主轴的风力发电机，根据树干根部粗大部分易于抗扭转疲劳，等强度悬伸结构的树干部分降低树枝与树皮过渡连接处的拉压疲劳强度，树皮与树干接触的部分存在润滑液有利于消耗拉压交变应力功的三项仿生原理，抗疲劳风机主轴包括法兰部分和主轴部分，法兰部分包括套状结构本体，主轴部分包括与套状结构本体插配连接的插配段，套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构，润滑结构内的油液通过集油瓶可以流动和存储。避免了现有技术中插装配合处的应力叠加问题，同时也解决了目前一体式的风机主轴轴承轴径处的疲劳扭断、法兰过渡圆角处的疲劳断裂的多发频发问题，整体上提高了风机主轴的抗疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗疲劳风机主轴及使用该风机主轴的风力发电机。
背景技术
风力发电机包括风机轮毂、变速箱及实现风机轮毂与变速箱传动连接的风机主轴，风机主轴承担着支撑风轮总成的悬重和传递动力的重要作用，是风力发电机的一个重要零件。常见的水平轴风力发电机组的风机主轴为一体式结构，如图1所示，包括端部的法兰部分1和主轴部分2，风机主轴通过轴承座4中的轴承5转到安装于变速箱中以承载与法兰部分连接的风轮总成的重量以及风载。因主轴部分2在与轴承5配合的轴承支撑段轴径较小，表面扭转应力较大，而且采用热装的方式导致此处存在较大的残余热应力，在两种应力的叠加下，容易发生扭转作用的扭转疲劳断裂7。对于法兰部分1与主轴部分2之间的过渡连接部分3，因考虑结构紧凑，其过渡圆角曲率半径不断缩小，造成过渡连接部分3长期处于大幅度的交变的拉压应力变形中，极易造成主轴部分在加工过程中因残留的刀痕等应力集中点处产生疲劳裂纹源进而导致出现拉压疲劳断裂3，从而造成风机主轴的早期疲劳断裂的发生。
授权公告号为CN 204283755 U的中国实用新型专利公开了一种风力发电机及其风机主轴，风机主轴包括主轴本体，主轴本体包括前后分体设置的前主体部分和后主体部分，相比于全合金钢材料的风机主轴易于加工。连接法兰一体设置于前主体部分上形成法兰部分，主轴承支撑段一体设置于后主体部分上形成主轴部分，连接法兰和前主体部分采用合金钢制成，前主体部分包括套状结构和设置于套状结构前端的连接板，主轴承支撑段与后主体部分采用球墨铸铁制成，这样的结构设置使风机主轴的每一部分都较易制作，且相比于全合金钢材料的风机主轴降低了材料成本。但是风机主轴在工作过程中，法兰部分与主轴部分的配合处因长期受到拉应力和压应力的作用而发生塑性变形，法兰部分与主轴部分采用热装的紧配合导致其结合处在风机主轴转动过程中会发生应力的叠加，使风机主轴易出现风机主轴疲劳断裂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决现有技术中风机主轴易出现疲劳断裂问题的抗疲劳风机主轴；同时，本发明的目的还在于提供一种使用该风机主轴的风力发电机。
为实现上述目的，本发明的一种抗疲劳风机主轴的技术方案是：一种抗疲劳风机主轴，包括插配连接的法兰部分和主轴部分，法兰部分包括套状结构本体，主轴部分包括与套状结构本体插配连接的插配段，所述套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构。
所述套状结构本体与插配段之间通过键与键槽传动连接，润滑结构包括设置于键的顶部与键槽的槽底之间的用于容纳润滑油的润滑空间。
所述键的数量有两个以上或套状结构本体与插配段之间通过花键与花键槽传动连接，润滑结构还包括用于连通各润滑空间的润滑油汇流槽。
所述润滑结构还包括设置于法兰部分上的并与润滑油汇流槽连通的集油瓶和与集油瓶连通的透气管，集油瓶与润滑汇流槽之间通过阀门进行连通，阀门包括壳体、设置于壳体中的阀座和活动阀芯，活动阀芯能够在其转至最高位置时打开阀门使润滑汇流槽与透气管连通、在其转至最低位置时闭合阀门防止润滑汇流槽中的润滑油进入集油瓶。
所述插配段为花键轴结构，套状结构本体为花键套结构，花键轴结构与花键套结构均为沿风机主轴的轴线方向延伸的锥形结构。
本发明的一种风力发电机的技术方案是：一种风力发电机，包括风机轮毂、变速箱和风机主轴，风机主轴包括插配连接的法兰部分和主轴部分，法兰部分包括套状结构本体，主轴部分包括与套状结构本体插配连接的插配段，所述套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构。
所述套状结构本体与插配段之间通过键与键槽传动连接，润滑结构包括设置于键的顶部与键槽的槽底之间的用于容纳润滑油的润滑空间。
所述键的数量有两个以上或套状结构本体与插配段之间通过花键与花键槽传动连接，润滑结构还包括用于连通各润滑空间的润滑油汇流槽。
所述润滑结构还包括设置于法兰部分上的并与润滑油汇流槽连通的集油瓶和与集油瓶连通的透气管，集油瓶与润滑汇流槽之间通过阀门进行连通，阀门包括壳体、设置于壳体中的阀座和活动阀芯，活动阀芯能够在其转至最高位置时打开阀门使润滑汇流槽与透气管连通、在其转至最低位置时闭合阀门防止润滑汇流槽中的润滑油进入集油瓶。
所述插配段为花键轴结构，套状结构本体为花键套结构，花键轴结构与花键套结构均为沿风机主轴的轴线方向延伸的锥形结构。
本发明的有益效果是：树皮与树干接触的部分存在润滑液，根据这一树木仿生原理，在套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构，以使套状结构本体与插配段之间在工作过程中能够得到润滑，二者之间能够相对运动，避免了现有技术中二者采用热装的紧配合方式导致在承受交变应力的时候二者的插装配合处发生应力叠加的问题，同时也解决了目前一体式的风机主轴轴承轴径处的疲劳扭断、法兰过渡圆角处的疲劳断裂的多发频发问题，整体上提高了风机主轴的抗疲劳寿命。
附图说明
图1为背景技术中一体式风机主轴的结构示意图；
图2为本发明的一种风力发电机的实施例一的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为本发明的一种风力发电机的实施例二的结构示意图；
图5为图4的左视图；
图6为集油瓶和透气管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的一种风力发电机的实施例一，如图2、图3、图6所示，包括风机轮毂5、变速箱7、实现风机轮毂5与变速箱7传动连接的风机主轴和安装于变速箱内的主轴承6。风机主轴包括前后分体设置的法兰部分1和主轴部分2，法兰部分1和主轴部分2插配连接在一起。法兰部分1包括轴线沿前后方向延伸的套状结构本体3、一体设置于套状结构本体3上的连接法兰4和设置于套状结构本体3前端的连接板20，连接法兰4与套状结构本体3的连接处采用圆角过渡，套状结构本体3的内壁为前小后大的锥形结构，套状结构本体3的内壁上设置有花键槽。主轴部分2包括前后一体设置的插配段8、主轴承支撑段9和悬伸段10，主轴承6、主轴承支撑段9和悬伸段10均位于变速箱7内。插配段8与主轴承支撑段9之间、悬伸段10与主轴承支撑段9之间均设有圆角进行过渡连接，主轴承支撑段9的直径大于插配段8的直径，也大于悬伸段10的直径，相比于现有技术中的一体式风机主轴，使主轴部分上与轴承配合处的尺寸加粗，可以降低主轴承支撑段9表面的扭转应力幅和应变量，提高抗击扭转疲劳的疲劳强度。插配段8上一体设置有与花键槽配合的花键，花键与花键槽均为由前至后逐渐变大的锥形结构。即插配段8为花键轴结构，套状结构本体3为花键套结构，花键轴结构与花键套结构均为沿风机主轴的轴线方向延伸的锥形结构。插配段8位中空结构，插配段的壁厚沿法兰部分的装入方向逐渐增大即插配段为沿法兰部分的装入方向直径逐渐增大的以形成等强度悬臂梁结构的锥形轴结构，类似树木的树干部分向根部方向逐渐增粗的原理，以保证承载部分的锥花键轴类似等强度梁的均匀变形，减少因变形不均匀造成的内应力堆积问题。
法兰部分1为合金钢材料制成，能够承受较大的拉应力，主轴部分2由球墨铸铁材料制成，能够承受较大的压应力，法兰部分1和主轴部分2通过套装结构改变了法兰部分1向主轴部分2传递的应力或应变的路径，将现有技术中一体式风机主轴（即图1）中过渡连接段处的局部大量应变能转化为由锥花键轴插配段来承载，从而大大降低了图1中过渡连接段处的应力幅或应变量，而且花键对法兰部分1的裂纹还具有阻断作用，可以避免裂纹向主轴部分2扩展而造成的主轴整体断裂的风轮坠头的恶性事故发生，又由于大量采用铸铁材料，可有效解决越来越大MW级风机的主轴结构的高成本问题。上述分体式结构的风机主轴将现有的一体式风机主轴的易断裂处所承受的交变的拉压应力改变成了主轴部分上的压应力，改变了应力状态，而主轴部分由承受压力能够较大的球墨铸铁材料制成，而且二者之间又存在润滑结构，因此减小了风机主轴的变形量，提高了其抗疲劳强度。
套状结构本体3与插配段8之间的配合处设置有润滑结构，润滑结构包括位于花键的键齿的顶部与花键槽的对应键槽的槽底之间的用于容纳润滑油的润滑空间11，各花键槽的前端均有退刀槽12，润滑结构还包括由各退刀槽12形成的连通各润滑空间11的润滑油汇流槽。润滑结构还包括设置于法兰结构本体3上的与润滑油汇流槽连通的排气油道，排气油道处设置有透气集油装置14，透气集油装置14包括集油瓶23，集油瓶23上设置有与集油瓶23连通的透气管24，集油瓶23与润滑汇流槽之间通过阀门进行连通，类似于树叶的出气孔，阀门包括壳体25、设置于壳体25中的阀座26和活动阀芯28，活动阀芯28能够在其转至最高位置时打开阀门使润滑汇流槽与透气管24连通（其气体的排除和集油瓶内油液的回流润滑，类似树叶的水分蒸腾和二氧化碳的吸入）、在其转至最低位置时闭合阀门防止润滑汇流槽中的润滑油大量进入集油瓶23。壳体25中还设置有透气阀芯29，透气阀芯29上设置有通气孔27，透气阀芯29可以阻挡大部分润滑油进入集油瓶23，可以有少部分润滑油进入集油瓶23。集油瓶23和透气管24不仅能够实现透气集油、便于变速箱内的润滑油进入润滑空间之内，还可保证在特殊情况下能够反哺花键与花键槽之间的润滑油。
法兰部分1为合金钢，进行调质处理，为调质硬度，保证花键槽的槽壁的硬度为28HRC左右，花键进行淬火处理，花键的硬度为62HRC左右，其硬度高于对应花键套的硬度，有利于增强接触疲劳强度，花键压入花键槽中时，花键槽具有一定的塑性变形，通过花键轴的花键与花键槽的压装连接，在花键连接的配合面上产生压应力，可有效地防止疲劳裂纹源的产生。而不再是现有技术中的热装的过盈配合，热装后会存在残余应力，不利于防止疲劳裂纹的产生。
套状结构本体与插配段通过花键插装配合，且插配段的花键***长度小于花键槽的键槽的长度，其间预装有涂有密封胶的密封垫20将汇流槽内的油液密封在汇流槽内。连接板20和插配段8的前端面上绕周向间隔设有一圈轴线沿前后方向延伸的螺栓安装孔，各螺栓安装孔中安装有锁紧螺栓13，各锁紧螺栓通过环形钢丝15彼此锁固。连接法兰4上设有轴线沿前后延伸的第一通孔，风机轮毂5上与第一通孔对应设置有第二通孔，第一通孔与第二通孔通过双头螺柱连接。插配段8的长度等于主轴承6内径的3倍，以提高主轴内部的承压和抗变形能力。
本发明的一种风力发电机的实施例二，如图4至图6所示，与实施例一的区别在于法兰部分1及主轴部分2的结构不同、法兰部分1与主轴部分2之间的固定连接方式不同以及透气集油装置14设置的位置不同，法兰部分1上没有连接板，主轴部分2除了包括前后一体设置的插配段8、主轴承支撑段9和悬伸段10，还包括一体设置于插配端8前端的连接段19，连接段19上设有外螺纹，连接段19上螺纹连接有两个锁紧螺母16，螺纹连接处涂有防松胶，锁紧螺母与法兰部分之间设置有锁片结构17和涂有密封胶的密封垫。排气油道设置于法兰结构本体3上，此时插配段8上与排气油道位置相对应处环设有连通各润滑空间11环槽，环槽形成润滑油汇流槽，排气油道与润滑油汇流槽连通。
在本发明的其他实施例中，进油口也可以设置于连接板上；花键也可以不进行淬火处理即插配段和花键均不进行淬火处理，也就是说花键的硬度可以与插配段的硬度大致相同；插配段的长度也可以等于主轴承内径的2倍或4倍；锁紧螺母的数量可根据实际需要进行调整；花键的硬度也可以为57HRC；花键的硬度也可以为62HRC；花键槽的槽壁的硬度可以为25HRC；花键槽的槽壁的硬度也可以为31HRC；套状结构本体与插配段之间也可以采用两个以上的平键进行传动连接；套状结构本体与插配段之间也可以采用端部螺栓进行传动连接，而不采用键与键槽的方式；润滑油汇流槽也可以单独加工，而不是由各键槽的退刀槽形成。
一种抗疲劳风机主轴的实施例与上述一种风力发电机的各实施例中的风机主轴的结构相同，此处不再赘述。
Claims (10)
1.一种抗疲劳风机主轴，包括插配连接的法兰部分和主轴部分，法兰部分包括套状结构本体，主轴部分包括与套状结构本体插配连接的插配段，其特征在于：所述套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳风机主轴，其特征在于：所述套状结构本体与插配段之间通过键与键槽传动连接，润滑结构包括设置于键的顶部与键槽的槽底之间的用于容纳润滑油的润滑空间。
3.根据权利要求2所述的抗疲劳风机主轴，其特征在于：所述键的数量有两个以上或套状结构本体与插配段之间通过花键与花键槽传动连接，润滑结构还包括用于连通各润滑空间的润滑油汇流槽。
4.根据权利要求3所述的抗疲劳风机主轴，其特征在于：所述润滑结构还包括设置于法兰部分上的并与润滑油汇流槽连通的集油瓶和与集油瓶连通的透气管，集油瓶与润滑汇流槽之间通过阀门进行连通，阀门包括壳体、设置于壳体中的阀座和活动阀芯，活动阀芯能够在其转至最高位置时打开阀门使润滑汇流槽与透气管连通、在其转至最低位置时闭合阀门防止润滑汇流槽中的润滑油进入集油瓶。
5.根据权利要求3所述的抗疲劳风机主轴，其特征在于：所述插配段为花键轴结构，套状结构本体为花键套结构，花键轴结构与花键套结构均为沿风机主轴的轴线方向延伸的锥形结构。
6.一种风力发电机，包括风机轮毂、变速箱和风机主轴，风机主轴包括插配连接的法兰部分和主轴部分，法兰部分包括套状结构本体，主轴部分包括与套状结构本体插配连接的插配段，其特征在于：所述套状结构本体与插配段的配合处设置有润滑结构。
7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于：所述套状结构本体与插配段之间通过键与键槽传动连接，润滑结构包括设置于键的顶部与键槽的槽底之间的用于容纳润滑油的润滑空间。
8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于：所述键的数量有两个以上或套状结构本体与插配段之间通过花键与花键槽传动连接，润滑结构还包括用于连通各润滑空间的润滑油汇流槽。
9.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于：所述润滑结构还包括设置于法兰部分上的并与润滑油汇流槽连通的集油瓶和与集油瓶连通的透气管，集油瓶与润滑汇流槽之间通过阀门进行连通，阀门包括壳体、设置于壳体中的阀座和活动阀芯，活动阀芯能够在其转至最高位置时打开阀门使润滑汇流槽与透气管连通、在其转至最低位置时闭合阀门防止润滑汇流槽中的润滑油进入集油瓶。
10.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于：所述插配段为花键轴结构，套状结构本体为花键套结构，花键轴结构与花键套结构均为沿风机主轴的轴线方向延伸的锥形结构。
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