CN111075663B - 风力发电机组主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组主轴，所述主轴的前端为自外而内直径逐渐减小的喇叭口状变径结构；所述主轴的中部轴身为空腔结构，所述中部轴身的内壁为圆弧形，最小壁厚为100～120mm；所述主轴的末端端面为牙嵌结构；所述主轴外壁上位于前端和轴身之间的位置设置有前轴承，所述主轴的末端外壁设置有后轴承。本发明的风力发电机组主轴，通过将主轴轴身设计为薄壁空腔结构，轴身内部采用圆弧设计，能有效降低主轴的重量，充分利用材料性能，保证主轴的刚度。通过将主轴的末端端面采用牙嵌设计。牙嵌结构能够传递更大的扭矩，进而减少连接螺栓的数量，降低设计难度，满足大型风力发电机组的主轴使用需求。

Description

风力发电机组主轴

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种风力发电机组主轴。

背景技术

随着能源消耗日益增长和环境保护的需求增加，可再生新能源开发越来越受重视，其中风力发电是发展最快的新能源之一，风力发电机组设计则成为风能行业至关重要的技术。传动链作为风力发电机组的核心***，其运行特征和成本直接决定风力发电机组的性能。主轴是风力发电机组传动链的重要部件，承担着支撑风轮和传递动力的重要作用。常见的水平轴风力发电机组风机主轴多为实心锻件，在锻造后采用加工方式在主轴中心位置加工直径约为100mm的圆孔作为增速器的穿线孔。主轴与其相连的部件通过胀紧套或者接触面摩擦力传递扭矩。

而随着机组容量增加和风轮直径的越做越大，为了满足大载荷的设计要求，风机主轴承也会选用更大直径的轴承，所以常规的锻造主轴设计已不能满足生产要求。同时随着机组容量的增加和风轮直径越做越大，主轴所传递的扭矩也会随之增加，常规设计通过胀紧套或连接面摩擦力传递扭矩的方式也会造成成本的急剧上升。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种风力发电机组主轴。具体技术方案如下：

一种风力发电机组主轴，所述主轴的前端为自外而内直径逐渐减小的喇叭口状变径结构；所述主轴的中部轴身为空腔结构，所述轴身的内壁为圆弧形，最小壁厚为100～120mm；所述主轴的末端端面为牙嵌结构；所述主轴外壁上位于前端和轴身之间的位置设置有前轴承，所述主轴的末端外壁设置有后轴承。

一种可能的设计中，牙嵌的斜度为：

β＝arctanf

式中，β为牙嵌斜度，f为牙嵌接触面的摩擦系数。

一种可能的设计中，牙嵌面压的设计要求：

式中，p为牙嵌面压，G为螺栓预紧力，L3为牙嵌中截面处的长度，L4为牙嵌的有效接触宽度，F为单个牙嵌的载荷，通过下述公式获取；

式中，F为单个牙嵌的载荷，T为主轴传递的极限扭矩，D为牙嵌连接螺栓的分度圆直径，n为牙嵌数量。

一种可能的设计中，所述主轴前端采用等强度理论设计，所述主轴前端的厚度自外而内逐渐增大。

一种可能的设计中，所述主轴还包括位于前端和轴身之间的轴肩和水平段，所述轴肩与所述前端连接，所述水平段与轴身连接，所述前轴承套装在所述水平段上并与所述轴肩相抵。

一种可能的设计中，所述主轴的前端与轴肩之间采用斜面圆角过渡。

一种可能的设计中，所述轴肩与所述水平段的拐角处采用双圆弧过渡设计。

一种可能地设计中，所述主轴还包括：轴承压紧环，所述轴承压紧环固定在所述轴身末端的端面上，并与所述后轴承相抵，用于压紧固定所述后轴承。

一种可能的设计中，所述轴身的外径自前向后逐渐减小。

一种可能的设计中，所述主轴的前端与轴肩之间的过渡面粗糙度在Ra1.6以下；所述主轴的轴肩与水平段之间的过渡面粗糙度在Ra1.6以下

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的风力发电机组主轴，通过将主轴轴身设计为薄壁空腔结构，轴身内部采用圆弧设计，能有效降低主轴的重量，充分利用材料性能，保证主轴的刚度。通过将主轴的末端3端面采用牙嵌设计。牙嵌结构能够传递更大的扭矩，进而减少连接螺栓的数量，降低设计难度，满足大型风力发电机组的主轴使用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的风力发电机组主轴的结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的风力发电机组末端的A向视图；

图3为本发明一个实施例提供的风力发电机组末端牙嵌的张开视图；

图4为本发明一个实施例提供的风力发电机组中I部分局部放大图；

图5为本发明一个实施例提供的风力发电机组中II部分的初选设计图；

图6为本发明一个实施例提供的风力发电机组中II部分的局部放大图；

图7为本发明一个实施例提供的风力发电机组中III部分的局部放大图。

附图标记说明：

1-前端、2-轴身、3-末端、4-前轴承、5-后轴承、6-轴肩、7-水平段、8-轴承压紧环。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

本发明实施例提供了一种风力发电机组主轴，如附图1所示，主轴的前端1为自外而内直径逐渐减小的喇叭口状变径结构。主轴的中部轴身2为空腔结构，中部轴身2的内壁为圆弧形，最小壁厚L为100～120mm(例如，可以为100mm、110mm、120mm等)。主轴的末端3端面为牙嵌结构；主轴外壁上位于前端1和轴身2之间的位置设置有前轴承4，主轴的末端3外壁设置有后轴承5。其中，以附图1所示的方向为基准，左侧为前，右侧为后。

以下对本发明实施例提供的风力发电机组主轴的有益效果进行说明：

通过将主轴轴身2设计为薄壁空腔结构，轴身2内部采用圆弧设计，能有效降低主轴的重量，充分利用材料性能，保证主轴的刚度。现有技术中的通过端面摩擦力传递扭矩，需要连接端面提供更大的摩擦系数和螺栓预紧力，为了保证螺栓预紧力往往需要增加螺栓数量，设计难度较大。本发明实施例中，通过将主轴的末端3端面采用牙嵌设计。牙嵌结构能够传递更大的扭矩，进而减少连接螺栓的数量，降低设计难度。综上，本发明实施例提供的风力发电机组主轴可以满足大型风力发电机组的主轴使用需求。

其中，如附图1所示，轴身2设计除满足上述薄壁空腔内部圆弧结构外，其外径自前向后逐渐减小，使主轴的尺寸从前端1到末端3平缓过渡。

本发明实施例中，前轴承4和后轴承5套装在主轴外壁上，起到支撑和固定作用，且便于主轴转动，示例地，前轴承4和后轴承5可以为圆锥滚子轴承。

具体地，以下对牙嵌结构进行详细阐述：

附图2为牙嵌A向视图，附图3为牙嵌展开视图。主轴的末端采用牙嵌结构，对应地，与主轴连接的部件端面上应设置有与牙嵌结构相适配的牙嵌法兰，以与主轴连接。牙嵌面中截面处，刀具切削面的延伸线必须通过牙嵌法兰中心，在各凸牙块的角度等分线上各有一个法兰螺栓孔，以便于主轴的末端3与牙嵌法兰连接。

为了保证扭矩传递效果，牙嵌的斜度为：β＝arctanf，式中，β为牙嵌斜度，f为牙嵌接触面的摩擦系数。

为了避免发生牙嵌崩断或过度磨损，保证强度和稳定性，牙嵌面压的设计要求为：

式中，p为牙嵌面压，G为螺栓预紧力，L3为牙嵌中截面处的长度，L4为牙嵌的有效接触宽度，L3和L4可以参见附图2中的标注，F为单个牙嵌的载荷，通过下述公式获取；

式中，F为单个牙嵌的载荷，T为主轴传递的极限扭矩，D为牙嵌连接螺栓的分度圆直径(参见附图2的标注)，n为牙嵌数量。

如附图3所示，主轴末端3的牙嵌与牙嵌法兰对接后，牙嵌面与牙嵌法兰面之间的间隙L5为1-2mm，以确保牙嵌能够压紧。

可选地，本发明实施例中，主轴前端1采用等强度理论设计，主轴前端1的厚度自外而内逐渐增大，以满足主轴的强度要求。

如附图1所示，为了便于安装前轴承4，主轴还包括位于前端1和轴身2之间的轴肩6和水平段7，轴肩6与前端1连接，水平段7与轴身2连接，前轴承4套装在水平段7上并与轴肩6相抵。

其中，主轴的前端1与轴肩6之间采用斜面圆角过渡，能够降低轴肩6的刚度，保护前轴承4，同时降低轴肩6与水平段7拐角处的应力。该部分局部放大图可以参见附图4。

为了进一步降低轴肩6与水平段7拐角处的应力，轴肩6与水平段7的拐角处采用双圆弧过渡设计。具体地，对双圆弧过渡的设计参数，以下给出一种示例：

如附图5所示，初选过渡圆角：R＝(0.15～0.25)S，S为水平段7的厚度。

确定内凹双圆弧过渡波形线的其他参数，双圆弧过渡波形线的结构和参数可以参见附图6，圆弧一和圆弧二相切于P点，R1和R2分别为圆弧一和圆弧二的半径，D为双圆弧起点到终点的水平距离，d1表示圆弧一的圆心与轴肩端面的距离，d2表示圆弧二的圆心与前轴承连接面的距离，D1表示圆弧一的圆心与轴肩端面的距离：

R2＝4R，

d1＝d2＝R1-(2～5)，例如，其取值可以为R1-2、R1-4、R1-5等。

D≥2R

D1＝R1+d1。

在加工工艺上，主轴中，前端1与轴肩6之间的过渡面，以及轴肩6与水平段7之间过渡面应尽可能光滑，提高加工光洁度，杜绝明显刀痕出现，防止应力集中发生。示例地，前端1与轴肩6之间的过渡面，以及轴肩6与水平段7之间过渡面的粗糙度可以在Ra1.6以下，举例来说，可以为Ra1.6、Ra1.4、Ra1.2等。

如附图1和附图7所示，本发明实施例提供的风力发电机组主轴还包括：轴承压紧环8，轴承压紧环8固定在轴身2末端3的端面上，并与后轴承5相抵，用于压紧固定后轴承5。其中，轴承压紧环8的内圈可以通过螺栓固定在主轴末端3的端面上，外圈与后轴承5相抵起到压紧固定的作用。且后轴承5与末端3的端面距离为L1，轴承压紧环8与末端3端面相对的一侧面与后轴承5的距离为L2，L2与L1的差值要大于后轴承5的压紧量，以保证拧紧螺栓时轴承压紧环8能够完全压紧后轴承5。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。

Claims (8)

1.一种风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴的前端为自外而内直径逐渐减小的喇叭口状变径结构；

所述主轴的中部轴身为空腔结构，所述轴身的内壁为圆弧形，最小壁厚为100～120mm；

所述主轴的末端端面为牙嵌结构；

所述主轴外壁上位于前端和轴身之间的位置设置有前轴承，所述主轴的末端外壁设置有后轴承；

所述牙嵌结构中各凸牙块的角度等分线上各有一个法兰螺栓孔；

牙嵌的斜度为：

β＝arctanf

式中，β为牙嵌斜度，f为牙嵌接触面的摩擦系数；

牙嵌面压的设计为：

式中，p为牙嵌面压，G为螺栓预紧力，L3为牙嵌中截面处的长度，L4为牙嵌的有效接触宽度，F为单个牙嵌的载荷，通过下述公式获取；

式中，F为单个牙嵌的载荷，T为主轴传递的极限扭矩，D为牙嵌连接螺栓的分度圆直径，n为牙嵌数量。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴前端采用等强度理论设计，所述主轴前端的厚度自外而内逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴还包括位于前端和轴身之间的轴肩和水平段，所述轴肩与所述前端连接，所述水平段与轴身连接，所述前轴承套装在所述水平段上并与所述轴肩相抵。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴的前端与轴肩之间采用斜面圆角过渡。

5.根据权利要求3所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述轴肩与所述水平段的拐角处采用双圆弧过渡设计。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴还包括：轴承压紧环，所述轴承压紧环固定在所述轴身末端的端面上，并与所述后轴承相抵，用于压紧固定所述后轴承。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述轴身的外径自前向后逐渐减小。

8.根据权利要求3至5任一项所述的风力发电机组主轴，其特征在于，所述主轴的前端与轴肩之间的过渡面粗糙度在Ra1.6以下；

所述主轴的轴肩与水平段之间的过渡面粗糙度在Ra1.6以下。

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