風力發電機組齒輪箱概述

第一節 概述  

　　風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據機組的總體布置要求，有時將與風輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯軸節連接的結構。為了增加機組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置，配合葉尖制動（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統進行聯合制動。
　　由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規律的變向變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂的狹小空間內，一旦出現故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。例如對構件材料的要求，除了常規狀態下機械性能外，還應該具有低溫狀態下抗冷脆性等特性；應保證齒輪箱平穩工作，防止振動和沖擊；保證充分的潤滑條件，等等。對冬夏溫差巨大的地區，要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設置監控點，對運轉和潤滑狀態進行遙控。
不同形式的風力發電機組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結構也因此而異。在風電界水平軸風力發電機組用固定平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動最為常見。
　　如前所述，風力發電受自然條件的影響，一些特殊氣象狀況的出現，皆可能導致風電機組發生故障，而狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎，整個傳動系的動力匹配和扭轉振動的因素總是集中反映在某個薄弱環節上，大量的實踐證明，這個環節常常是機組中的齒輪箱。因此，加強對齒輪箱的研究，重視對其進行維護保養的工作顯得尤為重要。 第二節 設計要求　　設計必須保證在滿足可靠性和預期壽命的前提下，使結構簡化并且重量最輕。通常應采用CAD優化設計，排定最佳傳動方案，選用合理的設計參數，選擇穩定可靠的構件和具有良好力學特性以及在環境極端溫差下仍然保持穩定的材料，等等。
一、 設計載荷
　　齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風輪、發電機的特性和傳動軸、聯軸器的質量、剛度、阻尼值以及發電機的外部工作條件。
風力發電機組載荷譜是齒輪箱設計計算的基礎。載荷譜可通過實測得到，也可以按照JB/T10300標準計算確定。當按照實測載荷譜計算時，齒輪箱使用系數KA＝1。當無法得到載荷譜時，對于三葉片風力發電機組取KA=1.3。
二、設計要求
　　風力發電機組增速箱的設計參數，除另有規定外，常常采用優化設計的方法，即利用計算機的分析計算，在滿足各種限制條件下求得最優設計方案。
（一） 效率
　　齒輪箱的效率可通過功率損失計算或在試驗中實測得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤滑油飛濺和攪拌損失、風阻損失、其它機件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。
風力發電齒輪箱的專業標準要求齒輪箱的機械效率應大于97%，是指在標準條件下應達到的指標。
（二） 噪聲級
    風力發電增速箱的噪聲標準為85dB（A）左右。噪聲主要來自各傳動件，故應采取相應降低噪聲的措施：
1. 適當提高齒輪精度，進行齒形修緣，增加嚙合重合度；
2. 提高軸和軸承的剛度；
3. 合理布置軸系和輪系傳動，避免發生共振；
4. 安裝時采取必要的減振措施，將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規定的C級之內。
（三） 可靠性
　　按照假定壽命最少20年的要求，視載荷譜所列載荷分布情況進行疲勞分析，對齒輪箱整機及其零件的設計極限狀態和使用極限狀態進行極限強度分析、疲勞分析、穩定性和變形極限分析、動力學分析等。分析方法除一般推薦的設計計算方法外，可采用模擬主機運行條件下進行零部件試驗的方法。
在方案設計之初必須進行可靠性分析，而在施工設計完成后再次進行詳細的可靠性分析計算，其中包括精心選取可靠性好的結構和對重要的零部件以及整機進行可靠性估算。 第三節 齒輪箱的構造 一、齒輪箱的類型與特點
　　風力發電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統類型可分為圓柱齒輪增速箱、行星增速箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動的級數可分為單級和多級齒輪箱；按照轉動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。常用齒輪箱形式及其特點和應用見表.20.1-1。
（表20.1-1 風力發電齒輪箱的主要類型和特點）。
二、齒輪箱圖例
（各種齒輪箱圖例如圖20.1 ～ 20.7 所示）。
第四節 齒輪箱的主要零部件 箱體結構
　　箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產生的反力，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。箱體的設計應按照風電機組動力傳動的布局安排、加工和裝配條件、便于檢查和維護等要求來進行。應注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結構和壁厚，增設必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。
　　箱體的應力情況十分復雜且分布不勻，只有采用現代計算方法，如有限元、斷裂力學等方法輔以摸擬實際工況的光彈實驗，才能較為準確地計算出應力分布的狀況。利用計算機輔助設計，可以獲得與實際應力十分接近的結果。
采用鑄鐵箱體可發揮其減振性，易于切削加工等特點， 適于批量生產。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵輕20%~30%， 但從另一角度考慮，輕合金鑄造箱體，降低重量的效果并不顯著。這是因為輕合金鑄件的彈性摸量較小，為了提高剛性，設計時常須加大箱體受力部分的橫截面積，在軸承座處加裝鋼制軸承座套，相應部位的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風電機組尚用鋁合金箱體外，大型風力發電齒輪箱應用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。
　　單件、小批生產時，常采用焊接或焊接與鑄造相結合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現裂紋，無論是鑄造或是焊接箱體均應進行退火、時效處理，以消除內應力。
為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況，在箱體上應設有觀察窗。機座旁一般設有連體吊鉤，供起吊整臺齒輪箱用。
箱體支座的凸緣應具有足夠的剛性，尤其是作為支承座的耳孔和搖臂支座孔的結構，其支承剛度要作仔細的核算。為了減小齒輪箱傳到機艙機座的振動，齒輪箱可安裝在彈性減振器上。最簡單的彈性減振器是用高強度橡膠和鋼墊做成的彈性支座塊，合理使用也能取得較好的結果。
　　箱蓋上還應設有透氣罩、油標或油位指示器。在相應部位設有注油器和放油孔。放油孔周圍應留有足夠的放油空間。采用強制潤滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位設置進出油口和相關的液壓件的安裝位置。 齒輪和軸的結構
　　風力發電機組運轉環境非常惡劣，受力情況復雜，要求所用的材料除了要滿足機械強度條件外，還應滿足極端溫差條件下所具有的材料特性，如抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩定性等等。對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動力的作用而要求極為嚴格的選材和結構設計，一般情況下不推薦采用裝配式拼裝結構或焊接結構，齒輪毛坯只要在鍛造條件允許的范圍內，都采用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時，由于齒輪與軸之間的連接所限，常制成軸齒輪的形式。
　　為了提高承載能力，齒輪、軸一般都采用合金鋼制造。外齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。內齒圈和軸類零件推薦采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。采用鍛造方法制取毛坯，可獲得良好的鍛造組織纖維和相應的力學特征。合理的預熱處理以及中間和最終熱處理工藝，保證了材料的綜合機械性能達到設計要求。
　　齒輪箱內用作主傳動的齒輪精度，外齒輪不低于5級GB/T10095，內齒輪不低于6級GB/T10095。通常采用最終熱處理的方法是滲碳淬火，齒表面硬度達到HRC60+/-2，具有良好的抗磨損接觸強度，輪齒心部則具有相對較低的硬度和較好的韌性，能提高抗彎曲強度，而通常對齒部的最終加工是采用磨齒工藝。
　　加工人字齒的時候，如是整體結構，半人字齒輪之間應有退刀槽；如是拼裝人字齒輪，則分別將兩半齒輪按普通圓柱齒輪加工，最后用工裝將兩者準確對齒，再通過過盈配合套裝在軸上。
　　齒輪加工中，規定好加工的工藝基準非常重要。軸齒輪加工時，常用頂尖頂緊兩軸端中心孔安裝在機床上。圓柱齒輪則利用其內孔和一個端面作為工藝基準，用夾具或通過校準在機床上定位。
　　在一對齒輪副中，小齒輪的齒寬比大齒輪略大一些，這主要是為了補償軸向尺寸變動和便于安裝。為減小軸偏斜和傳動中彈性變形引起載荷不均勻的影響，應在齒形加工時對輪齒作修形處理。
齒輪與軸的聯接
　　平鍵聯接 常用于具有過盈配合的齒輪或聯軸器與軸的聯接。
　　花鍵聯接 通常這種聯接是沒有過盈的，因而被聯接零件需要軸向固定。花鍵聯接承載能力高，對中性好，但制造成本高，需用專用刀具加工。
　　過盈配合聯接 過盈配合聯接能使軸和齒輪（或聯軸節）具有最好的對中性，特別是在經常出現沖擊載荷情況下，這種聯接能可靠地工作，在風力發電齒輪箱中得到廣泛的應用。利用零件間的過盈配合形成的聯接，其配合表面為圓柱面或圓錐面（錐度可取1：30~1：8）。圓錐面過盈聯接多用于載荷較大，需多次裝拆的場合。
脹緊套聯接 利用軸、孔與錐形彈性套之間接觸面上產生的摩擦力來傳遞動力，是一種無鍵聯接方式，定心性好，裝拆方便，承載能力高，能沿周向和軸向調節軸與輪轂的相對位置，且具有安全保護作用。國家標準GB5867-86對其所推薦的四種脹緊套的結構形式和基本尺寸作了詳細的規定。
　　齒輪箱中的軸按其主動和被動關系可分為主動軸、從動軸和中間軸。首級主動軸和末級從動軸的外伸部分用于安裝半聯軸器，與風輪輪轂或電機傳動軸相連。為了提高可靠性和減小外形尺寸，有時將半聯軸器（法蘭）與軸制成一體。
軸上各個配合部分的軸頸需要進行磨削加工。為了減少應力集中，對軸上臺肩處的過渡圓角、花鍵向較大軸徑過渡部分，均應作必要的處理，例如拋光，以提高軸的疲勞強度。在過盈配合處，為減少輪轂邊緣的應力集中，壓合處的軸徑應比相鄰部分軸徑加大5%，或在輪轂上開出卸荷槽。裝在軸上的零件，軸向固定應可靠，工作載荷應盡可能用軸上的止推軸肩來承受，相反方向的固定則可利用螺帽或其他緊固件。為防止螺紋松動，可利用止動墊圈、雙螺帽墊圈、鎖止螺釘或串聯鐵絲等。有時為了節省空間，簡化結構，也可以用彈簧擋圈代替螺帽和止動墊圈，但不能用于軸向負荷過大的地方。
　　軸的材料采用碳綱和合金綱。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等，常用的熱處理方法為進行調質，而在重要部位作淬火處理。要求較高時可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi 等優質低碳合金綱，進行滲碳淬火處理，獲取較高的表面硬度和心部較高的韌性。
滾動軸承
　　齒輪箱的支承中，大量應用滾動軸承，其特點是靜摩擦力矩和動摩擦力矩都很小，即使載荷和速度在很寬范圍內變化時也如此。滾動軸承的安裝和使用都很方便，但是，當軸的轉速接近極限轉速時，軸承的承載能力和壽命急劇下件下降，高速工作時的噪音和振動比較大。齒輪傳動時軸和軸承的變形會引起齒輪和軸承內外圈軸線的偏斜，使輪齒上載荷分布不均勻，會降低傳動件的承載能力。由于載荷不均勻性而使輪齒經常發生斷齒的現象，在許多情況下又是由于軸承的質量和其他因素，如劇烈的過載而引起的。選用軸承時，不僅要根據載荷的性質，還應根據部件的結構要求來確定。相關技術標準，如DIN281，或者軸承制造商的的樣本，都有整套的計算程序和方法可供參考。
計算的使用壽命應不小于13萬小時。在安裝、潤滑、維護都正常的情況下，軸承運轉過程中，由于套圈與滾動體的接觸表面經受交變負荷的反復作用而產生疲勞剝落。疲勞剝落若發生在壽命期限之外，則屬于滾動軸承的正常損壞。因此，一般所說的軸承壽命指的是軸承的疲勞壽命。一批軸承的疲勞壽命總是分散的，但總是服從一定的統計規律，因而軸承壽命總是與損壞概率或可靠性相聯系。 第五節 齒輪箱的使用及其維護　　在風力發電機組中，齒輪箱是重要的部件之一，必須正確使用和維護，以延長使用壽命。
齒輪箱主動軸與葉片輪轂的連接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機聯接時，應采用合適的聯軸器，最好是彈性聯軸器，并串接起保護作用的安全裝置。齒輪箱軸線與相聯接部分的軸線應保證同心，其誤差不得大于所選用聯軸器的允許值。
　　齒輪箱安裝后用人工盤動應靈活，無卡滯現象，齒面接觸斑點應達到技術條件的要求。按照說明書的要求加注規定的機油達到油標刻度線，并在正式使用之前空載運轉，此時可以利用電機帶動齒輪箱，經檢查齒輪箱運轉平穩，無沖擊振動和異常噪音，潤滑情況良好，且各處密封和結合面不漏油，才能與機組一起投入試運轉。
加載試驗應分階段進行，分別以額定載荷的25%、50%、75%、100%加載，每一階段運轉以平衡油溫為主，一般不得小于2小時，最高油溫不得超過80゜C，其不同軸承間的溫差不得高于15゜C。

齒輪箱的潤滑
　　齒輪箱的潤滑十分重要，良好的潤滑能夠對齒輪和軸承起到足夠的保護作用。為此，必須高度重視齒輪箱的潤滑問題，嚴格按照規范保持潤滑系統長期處于最佳狀態。齒輪箱常采用飛濺潤滑或強制潤滑，一般以強制潤滑為多見。因此，配備可靠的潤滑系統尤為重要。電動齒輪泵從油箱將油液經濾油器輸送到齒輪箱的潤滑管路，對各部分的齒輪和傳動件進行潤滑，管路上裝有各種監控裝置，確保齒輪箱在運轉當中不會出現斷油。
　　在齒輪箱運轉前先啟動潤滑油泵，待各個潤滑點都得到潤滑后，間隔一段時間方可啟動齒輪箱。當環境溫度較低時，例如小于10゜C，須先接通電熱器加機油，達到預定溫度后才投入運行。若油溫高于 設定溫度，如65゜C時，機組控制系統將使潤滑油進入系統的冷卻管路，經冷卻器冷卻降溫后再進入齒輪箱。管路中還裝有壓力控制器和油位控制器，以監控潤滑油的正常供應。如發生故障。監控系統將立即發出報警信號，使操作者能迅速判定故障并加以排除。
　　對潤滑油的要求應考慮：1）減小摩擦和磨損，具有高的承載能力，防止膠合；2）吸收沖擊和振動；3）防止疲勞點蝕；4）冷卻，防銹，抗腐蝕。不同類型的傳動有不同的要求。風力發電齒輪箱屬于閉式齒輪傳動類型，其主要的失效形式是膠合與點蝕，故在選擇潤滑油時，重點是保證有足夠的油膜厚度和邊界膜強度。因為在較大的溫差下工作，要求粘度指數相對較高。為提高齒輪的承載能力和抗沖擊能力，適當地添加一些極壓添加劑也有必要，但添加劑有一些副作用，在選擇時必須慎重。齒輪箱制造廠一般根據自己的經驗或實驗研究推薦各種不同的潤滑油，例如MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220 GB5903-95齒輪油就是根據齒面接觸應力和使用環境條件選用的。
　　在齒輪箱運行期間，要定期檢查運行狀況，看看運轉是否平穩；有無振動或異常噪音；各處連接和管路有無滲漏，接頭有無松動；油溫是否正常。定期更換潤滑油，第一次換油應在首次投入運行500小時后進行，以后的換油周期為每運行5，000-10，000小時。在運行過程中也要注意箱體內油質的變化情況，定期取樣化驗，若油質發生變化，氧化生成物過多并超過一定比例時，就應及時更換。
　　齒輪箱應每半年檢修一次，備件應按照正規圖紙制造，更換新備件后的齒輪箱，其齒輪嚙合情況應符合技術條件的規定，并經過試運轉與負荷試驗后再正式使用。 第六節 齒輪箱常見故障及預防措施　　齒輪箱的常見故障有齒輪損傷、軸承損壞、斷軸和滲漏油、油溫高等。

一、 齒輪損傷
　　齒輪損傷的影響因素很多，包括選材、設計計算、加工、熱處理、安裝調試、潤滑和使用維護等。常見的齒輪損傷有齒面損傷和輪齒折斷兩類。

（一） 輪齒折斷（斷齒）
　　斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。根據裂紋擴展的情況和斷齒原因，斷齒可分為過載折斷（包括沖擊折斷）、疲勞折斷以及隨機斷裂等。
　　過載折斷總是由于作用在輪齒上的應力超過其極限應力，導致裂紋迅速擴展，常見的原因有突然沖擊超載、軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區等。斷齒斷口有呈放射狀花樣的裂紋擴展區，有時 斷口處有平整的塑性變形，斷口副常可拼合。仔細檢查可看到材質的缺陷，齒面精度太差，輪齒根部未作精細處理等。在設計中應采取必要的措施，充分考慮預防過載因素。安裝時防止箱體變形，防止硬質異物進入箱體內等等。
　　疲勞折斷發生的根本原因是輪齒在過高的交變應力重復作用下，從危險截面（如齒根）的疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴展，使輪齒剩余截面上的應力超過其極限應力，造成瞬時折斷。在疲勞折斷的發源處，是貝狀紋擴展的出發點并向外輻射。產生的原因是設計載荷估計不足，材料選用不當，齒輪精度過低，熱處理裂紋，磨削燒傷，齒根應力集中等等。故在設計時要充分考慮傳動的動載荷譜，優選齒輪參數，正確選用材料和齒輪精度，充分保證加工精度消除應力集中集中因素等等。
　　隨機斷裂的原因通常是材料缺陷，點蝕、剝落或其他應力集中造成的局部應力過大，或較大的硬質異物落入嚙合區引起。
（二） 齒面疲勞
　　齒面疲勞是在過大的接觸剪應力和應力循環次數作用下，輪齒表面或其表層下面產生疲勞裂紋并進一步擴展而造成的齒面損傷，其表現形式有早期點蝕、破壞性點蝕、齒面剝落、和表面壓碎等。特別是破壞性點蝕，常在齒輪嚙合線部位出現，并且不斷擴展，使齒面嚴重損傷，磨損加大，最終導致斷齒失效。正確進行齒輪強度設計，選擇好材質，保證熱處理質量，選擇合適的精度配合，提高安裝精度，改善潤滑條件等，是解決齒面疲勞的根本措施。
（三） 膠合
　　膠合是相嚙合齒面在嚙合處的邊界膜受到破壞，導致接觸齒面金屬融焊而撕落齒面上的金屬的現象，很可能是由于潤滑條件不好或有干涉引起，適當改善潤滑條件和及時排除干涉起因,調整傳動件的參數，清除局部載荷集中，可減輕或消除膠合現象。 二、 軸承損壞
　　軸承是齒輪箱中最為重要的零件，其失效常常會引起齒輪箱災難性的破壞。軸承在運轉過程中，套圈與滾動體表面之間經受交變負荷的反復作用，由于安裝、潤滑、維護等方面的原因，而產生點蝕、裂紋、表面剝落等缺陷，使軸承失效，從而使齒輪副和箱體產生損壞。據統計，在影響軸承失效的眾多因素中，屬于安裝方面的原因占16%，屬于污染方面的原因也占16%，而屬于潤滑和疲勞方面的原因各占34%。使用中70%以上的軸承達不到預定壽命。因而，重視軸承的設計選型，充分保證潤滑條件，按照規范進行安裝調試，加強對軸承運轉的監控是非常必要的。通常在齒輪箱上設置了軸承溫控報警點，對軸承異常高溫現象進行監控，同一箱體上不同軸承之間的溫差一般也不超過15゜C，要隨時隨地檢查潤滑油的變化，發現異常立即停機處理。 三、 斷軸
　　斷軸也是齒輪箱常見的重大故障之一。究其原因是軸在制造中沒有消除應力集中因素，在過載或交變應力的作用下，超出了材料的疲勞極限所致。因而對軸上易產生的應力集中因素要給予高度重視，特別是在不同軸徑過渡區要有圓滑的圓弧連接，此處的光潔度要求較高，也不允許有切削刀具刃尖的痕跡。設計時，軸的強度應足夠，軸上的鍵槽、花鍵等結構也不能過分降低軸的強度。保證相關零件的剛度，防止軸的變形，也是提高軸的可靠性的相應措施。 四、 油溫高
　　齒輪箱油溫最高不應超過80゜C，不同軸承間的溫差不得超過15゜C。一般的齒輪箱都設置有冷卻器和加熱器，當油溫底于10゜C時，加熱器會自動對油池進行加熱；當油溫高于65゜C時，油路會自動進入冷卻器管路，經冷卻降溫后再進入潤滑油路。如齒輪箱出現異常高溫現象，則要仔細觀察，判斷發生故障的原因。首先要檢查潤滑油供應是否充分，特別是在各主要潤滑點處，必須要有足夠的油液潤滑和冷卻。再次要檢查各傳動零部件有無卡滯現象。還要檢查機組的振動情況，前后連接有否松動等等。