[发明专利]行星齿轮箱

说明书

本申请是基于原申请日为2004年05月28日，原申请号200480014994.7(PCT/US2004/017079)，发明名称为“超精加工大型行星齿轮系统”的分案申请。

相关申请

本申请要求2003年5月30日提交的美国临时专利申请No.60/474,836的优先权，同时还要求2003年6月2日提交的美国临时专利申请No.60/475,210的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于大型齿轮箱的新型改进的输入行星级。本发明中提及的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。

背景技术

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(R_mr)，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(R_a)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。