系列立式水泵齿轮箱及可控启动的开发研究

黄洪华 杨球来

(上海ABB动力传动有限公司， 上海 201613)

0 引言

大功率低速立式泵在各行业应用比较普遍，以实现点对点的液态输送及控制，最终实现液态的排放和流动。在常见的防洪、污水处理、电厂及核电、海水淡化和水利灌溉等应用中，通常使用多极电机直驱水泵或者采用卧式电机和直角齿轮箱组合的型式，具有体积庞大、成本高企、电机效率及功率因数低等弊端[1]。ABB-DODGE开发了立式人字齿行星齿轮箱VGM，将标准极数电机安装在行星齿轮箱上，通过齿轮箱减速驱动水泵叶轮，具有高效可靠、体积小重量轻及高性价比等特性。CST (可控启动传输) 技术在该立式齿轮箱上的应用，可以实现电机空载启动，并避免对电网造成冲击，此外还具有过载保护作用。尤其是CST的可控启动和停车技术，可以极大的避免水锤效应对水泵机械结构和管道系统的损伤。

1 水泵齿轮箱的传动设计

1.1概况

此系列立式行星齿轮箱具有结构紧凑、体积小、传动平稳、噪声低，并可承担水泵轴向推力、无泄漏干井密封等特点。

含湿式离合器的立式齿轮箱除了具有上述特点外，还增加了输出转速可控特性，使得启动时驱动电机可以按顺序空载启动，水泵启动加速度可控，电机冲击电流非常小。

1.2结构简介

VGM系列齿轮箱结构简图如图1所示，输入太阳轮和输出轴同心布置：太阳轮 (1) 采用人字形齿轮驱动行星轮(2)，行星轮内部采用双圆柱滚子轴承 (3) 支承，并通过圆柱销固定在输出行星架 (4) 上。齿圈(5)设计为浮动三层式设计，上层为制动齿圈，中间为过渡齿圈套，在齿圈套和行星轮之间的齿圈为分离式双片设计。离合器座(6) 紧固安装在顶面法兰板上。动摩擦片(7)花键安装在外齿圈上，静摩擦片花键安装在离合器座。离合器活塞加压向下运动时，动静摩擦片在其各自的花键上移动并压紧，从而在摩擦片之间形成油膜，依靠PLC控制液压系统模块，从而控制活塞行程进而控制摩擦片油膜厚度来控制齿圈的转速。液压模块如图2所示，当加在齿圈上的力矩逐渐增加，齿圈的转速以可控斜率下降时，行星架由行星轮及齿圈带动开始转动，输出轴的转速与齿圈的转速成反比。当齿圈的转速降为零时，输出轴将达到正常的额定转速。

图1 VGM 立式齿轮箱含离合器结构图Fig.1 Internal structure of VGM with clutch

图2 齿轮箱润滑和冷却系统Fig.2 Oil lubricating and cooling system of gear box

同时考虑到主电机不能承担轴向力，本系列齿轮箱设计了止推轴承加圆锥滚子组合模式来吸收水泵的自重及工作时产生的轴向推力。

采用双电机齿轮泵冗余设计对离合器和齿轮箱进行冷却，防止任何因电机或者齿轮泵损坏而影响整机的冷却，增加整机的可靠性。

1.3主要参数

本系列齿轮箱的齿轮设计按照AGMA和ABB-DODGE内部标准设计，参照标准ANSI/AGMA 2015-1-A01:2001，精度等级不低于A6。为了提高齿轮的承载能力，采用KISSSOFT/KISSSYS对齿轮的几何参数和变位系数进行优化计算，同时采用ANSYS对齿轮和齿圈的局部应力进行有限元分析。综合考虑了整个齿轮传动链的接触强度和弯曲强度，采用带凸台的全圆弧滚刀切齿，同时优化了滚刀的参数及留磨量的控制，以保证齿轮的可靠性。

齿轮副根据齿轮在局部载荷作用下的弹性变形，采用了齿向及齿形修形磨齿工艺，如图3所示。尤其是对太阳轮采用导程修形，对行星轮采用鼓形修形及对齿轮齿顶齿根修形的组合修形，极大的改善了齿轮单位载荷，降低偏载。双斜齿轮也采用了修形，减少了齿轮间相互啮合时的交替冲击，防止齿顶齿根的干涉，降低了齿轮噪声和振动，如图4所示。表1为某型号行星齿轮副参数列表，列表数据来源美国研发中心。

序号参数代码数值单位1功率P8260Kw@SF1.0KW2输入转速Na1500RPM3输出转速Nz170.45RPM4速比I8.85输出扭矩T463000Nm6模数Mn97螺旋角β30DEG8压力角αn25DEG9人字齿宽B100/100mm10中心距A343.865mm11太阳轮Zs1512行星轮Zp5013齿圈Zr11714轴向载荷F100000kg

此系列齿轮箱功率覆盖600～22000Kw，输出转速100～500RPM，额定扭矩可高达790000Nm，可承担轴向载荷达到145000Kg(1420000N)。

1.4离合器设计

VGM齿轮箱离合器采用了CST的成熟技术。ABB-DODGE自1970年以来开发的CST一直用于散料输送并在中国的矿山市场占有率排名前列，尤其是大功率防爆煤矿市场占有率排名第一。

VGM齿轮箱湿式多片离合器结构，如图5，动摩擦片通过花键固定在齿圈，静摩擦片通过花键固定在离合器座上，活塞在高压油和返回弹簧的作用下往返运动，实现对摩擦片行程和油膜厚度的控制。湿式离合器具有以下特点：

1. 工作性能稳定可靠；

2. 接排平稳；

3. 可以吸振和降低冲击，避免水泵冲击振动，保护驱动电机；

4. 采用PLC闭环控制，0～300s启动和停止可控。

湿式离合器结构如图5所示，其接排按照承载扭矩和时间的关系通常分为三个阶段。第一个阶段是挤压阶段，动静摩擦片之间充满了润滑油，润滑油的形态为流体状态；第二阶段为接排工作状态，润滑油形成剪切油膜状态，承载扭矩，第三阶段为分离阶段，润滑油重新恢复到流体状态。第一、第三阶段相对比较简单，国内外研究的论文也较多，这里不多详述。而对于第二阶段，在动静摩擦片的逐步接近过程中，润滑油不断的从摩擦片的缝隙挤出，油膜的厚度h0也随之减薄。其简化计算模型参见公式1：

(1)

其中：T为离合器摩察扭矩；Ro为摩擦片外径；Ri为摩擦片内径；ho为油膜厚度；η为效率；ω为角速度；

可见如何控制油膜的厚度是至关重要的，但是仅依靠机械控制方式来控制行程是极其困难的，而且对离合器来说最重要的是控制其输出扭矩，这里引入了PID控制回路。

1. 启动状态，操作人员发出“启动”指令，PLC控制程序依次启动冷却泵电机和风扇电机及主电机。PID设定逐步达到预压值5～10%，离合器活塞逐步压紧摩擦片，油膜形成。

2. 加速和工作状态，VGM离合器啮合达到预压后，PID持续加压直到速度传感器监测到数值，这时PID切换到速度PID按照所需要设定的”S”曲线或者抛物线运行，达到慢速启动，并按既定的加速度达到满速运行。

3. 停车状态，在接到停机或者故障指令后，PID可以按设定曲线停车，停车时间不小于自由停车时间。

由于水体流动为连续状态，因此实现其可控启动和停车对大功率水泵是非常有益的，可以避免水流的突然变化对管道的冲击和水锤效应。

1.5齿轮热处理要求

齿轮的材料和热处理是决定其承载能力和寿命的关键因素。本系列水泵齿轮箱的太阳轮和行星轮采用了优质合金钢ANSI 4320，渗碳淬火，表面硬度HRC58～62；齿圈采用ANSI 4340整体高调BHN300～340，材料要求均满足ANSI/AGMA2001等级2规范。热处理及磨削必须满足DODGE企业内部标准，用于控制齿轮材料的纯净度，齿面碳含量和分布，硬度梯度降及有效硬化层深度和金相组织，以保证齿轮的性能[2]。

1.6润滑及冷却系统

对于齿轮传动装置而言，润滑和冷却系统必不可少。VGM齿轮箱箱体下部作为油箱，油位可浸没止推轴承但是低于干井密封罩的顶部。行星齿轮副采用强制润滑。常规低速重载齿轮箱一般采用粘度大，极压抗磨性较好的润滑油。由于本齿轮箱含有离合器，必须兼顾润滑油的冷却效果及控制阀的可操作性，因此带离合器的齿轮箱选择在此油位内灌注美孚424，无离合器的类型可采用常规润滑油。

为了提高冷却系统及整机可靠性，同时也便于检修故障，VGM齿轮箱箱体底部安装有两互锁的齿轮泵，采用膜片压力开关，单刀双掷，有两个设定值分别对应一组常开/常闭触点，低于或者高于设定值开关动作。主泵工作时，在3～5s内监测传感器是否达到压力设定值0.69MPa，两互锁油路的任何一个传感器监测压力值低于设定值，关闭主泵并切换至备用主泵。

2 齿轮箱试验

VGM齿轮箱样机在美国Greenville的DODGE先进技术实验室树立通过性能及负荷试验，如图6所示。试验包括离合器的性能试验、行星齿轮副的机械效率、齿轮箱的试验拆检等。

图6 VGM台位测试图Fig.6 Testing platform of VGM

3 应用及前景

现有大型水泵大多数采用低速多极数同步电机或者感应电机直接驱动的形式[3]。众所周知，电机的输出转数取决于电机的转数，参见表2，这样使得水泵无法得到最佳效率工作点(BEP)所要求的转速。VGM这种采用电机加行星齿轮箱的形式就容易得到更多的转数组合，甚至可以根据水泵设计人员所要求的转速配置精准的电机和齿轮箱速比，使得水泵的效率大为提高，而不受电机极数的限制，同时因水泵工作在最佳效率点，改善了水泵轴承和油封的工作状况，提高了寿命，避免了远离BEP点而导致水泵机械加速损坏的后果。而且由于采用了少极数电机，功率因数也提高了2%，整体设备效率及可靠性都大为提高。

表2 不同频率下电机极数和转速对照表

相对于同步电机或者感应电机，使用VGM齿轮箱成本要下降15～30%，相同水泵功率情况下整机尺寸也可以缩小20～30%。

4 总结

本文介绍了VGM系列立式齿轮箱带离合器软启动的设计开发，并对齿轮箱所用的行星人字齿、湿式离合器、润滑及冷却系统等技术进行了阐述。简单介绍了此系列齿轮箱在水利水电，核电行业的应用前景。我国已建大中型泵站在2004年就达到5500余座，规模已居世界第一，但已建泵站存在主电机型式及传动方式单一的问题[4]。新的VGM电机和齿轮箱一体解决方案的出现，并已在相关行业得到成功应用及验证，这将对于我国大中型泵站在设计建设和改造中吸收新型电机和新型传动方式等技术，有很好的借鉴意义，对于提高泵站的技术水平、运行效率和可靠性，并减少投资等也将得于提升，应大力推广。

[1] 卢济武，低速大转矩行星齿轮减速器设计研究 [J].机械设计与研究，1995(4)：15-17.

[2] 顾海港，林勇刚，大功率船用齿轮箱开发设计 《传动技术》，2008(9)：Vol.22 No.3.

[3] 古智生，吕建新，带行星齿轮的大型潜水电泵研制与应用 《全国大型泵站更新改造研讨会》，2009.

[4] 莫岳平，黄海田等，王树人大中型泵站主电机及传动型式选择《南 水 北 调 与 水 利 科 技》第11卷第3期.