风力发电机组齿轮箱概述
出处：论文网
时间：2007-01-05
第一节 概述
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。
不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。
如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。 第二节 设计要求 设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。
一、 设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA＝1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
二、设计要求
风力发电机组增速箱的设计参数，除另有规定外，常常采用优化设计的方法，即利用计算机的分析计算，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。
（一） 效率
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
（二） 噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
1. 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
2. 提高轴和轴承的刚度；
3. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；
4. 安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。
（三） 可靠性
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。
在方案设计之初必须进行可靠性分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。 第三节 齿轮箱的构造 一、齿轮箱的类型与特点
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表.20.1-1。
（表20.1-1 风力发电齿轮箱的主要类型和特点）。
二、齿轮箱图例
（各种齿轮箱图例如图20.1 ～ 20.7 所示）。
第四节 齿轮箱的主要零部件 箱体结构
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。
箱体的应力情况十分复杂且分布不匀，只有采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等方法辅以摸拟实际工况的光弹实验，才能较为准确地计算出应力分布的状况。利用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。
采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点， 适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%~30%， 但从另一角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。这是因为轻合金铸件的弹性摸量较小，为了提高刚性，设计时常须加大箱体受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承座套，相应部位的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风电机组尚用铝合金箱体外，大型风力发电齿轮箱应用轻铝合金铸件箱体已不多见。
单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处理，以消除内应力。
为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。
箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，其支承刚度要作仔细的核算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，合理使用也能取得较好的结果。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。 齿轮和轴的结构
风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮、轴一般都采用合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。
齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。通常采用最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度，而通常对齿部的最终加工是采用磨齿工艺。
加工人字齿的时候，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽；如是拼装人字齿轮，则分别将两半齿轮按普通圆柱齿轮加工，最后用工装将两者准确对齿，再通过过盈配合套装在轴上。
齿轮加工中，规定好加工的工艺基准非常重要。轴齿轮加工时，常用顶尖顶紧两轴端中心孔安装在机床上。圆柱齿轮则利用其内孔和一个端面作为工艺基准，用夹具或通过校准在机床上定位。
在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主要是为了补偿轴向尺寸变动和便于安装。为减小轴偏斜和传动中弹性变形引起载荷不均匀的影响，应在齿形加工时对轮齿作修形处理。
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。
不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。
如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。 第二节 设计要求 设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。
一、 设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA＝1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
二、设计要求
风力发电机组增速箱的设计参数，除另有规定外，常常采用优化设计的方法，即利用计算机的分析计算，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。
（一） 效率
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
（二） 噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
1. 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
2. 提高轴和轴承的刚度；
3. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；
4. 安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。
（三） 可靠性
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。
在方案设计之初必须进行可靠性分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。 第三节 齿轮箱的构造 一、齿轮箱的类型与特点
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表.20.1-1。
（表20.1-1 风力发电齿轮箱的主要类型和特点）。
二、齿轮箱图例
（各种齿轮箱图例如图20.1 ～ 20.7 所示）。
第四节 齿轮箱的主要零部件 箱体结构
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。
箱体的应力情况十分复杂且分布不匀，只有采用现代计算方法，如有限元、断裂力学等方法辅以摸拟实际工况的光弹实验，才能较为准确地计算出应力分布的状况。利用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。
采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点， 适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻20%~30%， 但从另一角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。这是因为轻合金铸件的弹性摸量较小，为了提高刚性，设计时常须加大箱体受力部分的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承座套，相应部位的尺寸和重量都要加大。目前除了较小的风电机组尚用铝合金箱体外，大型风力发电齿轮箱应用轻铝合金铸件箱体已不多见。
单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处理，以消除内应力。
为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。
箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，其支承刚度要作仔细的核算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，合理使用也能取得较好的结果。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。 齿轮和轴的结构
风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮、轴一般都采用合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。
齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。通常采用最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC60+/-2，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度，而通常对齿部的最终加工是采用磨齿工艺。
加工人字齿的时候，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽；如是拼装人字齿轮，则分别将两半齿轮按普通圆柱齿轮加工，最后用工装将两者准确对齿，再通过过盈配合套装在轴上。
齿轮加工中，规定好加工的工艺基准非常重要。轴齿轮加工时，常用顶尖顶紧两轴端中心孔安装在机床上。圆柱齿轮则利用其内孔和一个端面作为工艺基准，用夹具或通过校准在机床上定位。
在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主要是为了补偿轴向尺寸变动和便于安装。为减小轴偏斜和传动中弹性变形引起载荷不均匀的影响，应在齿形加工时对轮齿作修形处理。
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