第一節(jié)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力功能下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過(guò)齒輪箱齒輪副的增速功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機(jī)組的總體布置要求，有時(shí)將和風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動(dòng)軸（俗稱大軸）和齒輪箱合為一體，也有將大軸和齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)組的制動(dòng)能力，經(jīng)常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置，配合葉尖制動(dòng)（定漿距風(fēng)輪）或變漿距制動(dòng)裝置共同對(duì)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。

由于機(jī)組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，受無(wú)規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力功能以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響，加之所處自然環(huán)境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)非常困難，故對(duì)其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械高得多的要求。例如對(duì)構(gòu)件材料的要求，除了常規(guī)狀態(tài)下機(jī)械性能外，還應(yīng)該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性；應(yīng)保證齒輪箱平穩(wěn)工作，防止振動(dòng)和沖擊；保證充分的潤(rùn)滑條件，等等。對(duì)冬夏溫差巨大的地區(qū)，要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)和潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行遙控。

不同形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。在風(fēng)電界水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用固定平行軸齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)最為常見。

如前所述，風(fēng)力發(fā)電受自然條件的影響，一些非凡氣象狀況的出現(xiàn)，皆可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障，而狹小的機(jī)艙不可能像在地面那樣具有牢固的機(jī)座基礎(chǔ)，整個(gè)傳動(dòng)系的動(dòng)力匹配和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素總是集中反映在某個(gè)薄弱環(huán)節(jié)上，大量的實(shí)踐證實(shí)，這個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)常是機(jī)組中的齒輪箱。因此，加強(qiáng)對(duì)齒輪箱的探究，重視對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。第二節(jié)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)必須保證在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并且重量最輕。通常應(yīng)采用CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)，排定最佳傳動(dòng)方案，選用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境極端溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料，等等。

一、設(shè)計(jì)載荷

齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷譜是齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。載荷譜可通過(guò)實(shí)測(cè)得到，也可以按照J(rèn)B/T10300標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算確定。當(dāng)按照實(shí)測(cè)載荷譜計(jì)算時(shí)，齒輪箱使用系數(shù)KA＝1。當(dāng)無(wú)法得到載荷譜時(shí)，對(duì)于三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組取KA=1.3。

二、設(shè)計(jì)要求

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的設(shè)計(jì)參數(shù)，除另有規(guī)定外，經(jīng)常采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，即利用計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算，在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

（一）效率
齒輪箱的效率可通過(guò)功率損失計(jì)算或在試驗(yàn)中實(shí)測(cè)得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤(rùn)滑油飛濺和攪拌損失、風(fēng)阻損失、其它機(jī)件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。

風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪箱的機(jī)械效率應(yīng)大于97%，是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)。

（二）噪聲級(jí)
風(fēng)力發(fā)電增速箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為85dB（A）左右。噪聲主要來(lái)自各傳動(dòng)件，故應(yīng)采取相應(yīng)降低噪聲的辦法摘要：

1.適當(dāng)提高齒輪精度，進(jìn)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(dòng)，避免發(fā)生共振；
4.安裝時(shí)采取必要的減振辦法，將齒輪箱的機(jī)械振動(dòng)控制在GB/T8543規(guī)定的C級(jí)之內(nèi)。

（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(jìn)行疲憊分析，對(duì)齒輪箱整機(jī)及其零件的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲憊分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動(dòng)力學(xué)分析等。分析方法除一般推薦的設(shè)計(jì)計(jì)算方法外，可采用模擬主機(jī)運(yùn)行條件下進(jìn)行零部件試驗(yàn)的方法。

在方案設(shè)計(jì)之初必須進(jìn)行可靠性分析，而在施工設(shè)計(jì)完成后再次進(jìn)行具體的可靠性分析計(jì)算，其中包括精心選取可靠性好的結(jié)構(gòu)和對(duì)重要的零部件以及整機(jī)進(jìn)行可靠性估算。

第三節(jié)齒輪箱的構(gòu)造

一、齒輪箱的類型和特征
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)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(lái)的齒輪箱；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)齒輪箱；按照轉(zhuǎn)動(dòng)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征和應(yīng)用見表.20.1-1。
（表20.1-1風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的主要類型和特征）。

二、齒輪箱圖例
（各種齒輪箱圖例如圖20.1～20.7所示）。

第四節(jié)齒輪箱的主要零部件箱體結(jié)構(gòu)

箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來(lái)自風(fēng)輪的功能力和齒輪傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反力，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的功能，防止變形，保證傳動(dòng)質(zhì)量。箱體的設(shè)計(jì)應(yīng)按照風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力傳動(dòng)的布局布置、加工和裝配條件、便于檢查和維護(hù)等要求來(lái)進(jìn)行。應(yīng)注重軸承支承和機(jī)座支承的不同方向的反力及其相對(duì)值，選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強(qiáng)筋。筋的位置須和引起箱體變形的功能力的方向相一致。

箱體的應(yīng)力情況十分復(fù)雜且分布不勻，只有采用現(xiàn)代計(jì)算方法，如有限元、斷裂力學(xué)等方法輔以摸擬實(shí)際工況的光彈實(shí)驗(yàn)，才能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出應(yīng)力分布的狀況。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以獲得和實(shí)際應(yīng)力十分接近的結(jié)果。

采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減振性，易于切削加工等特征，適于批量生產(chǎn)。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強(qiáng)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?yàn)檩p合金鑄件的彈性摸量較小，為了提高剛性，設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)部位的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風(fēng)電機(jī)組尚用鋁合金箱體外，大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱應(yīng)用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。

單件、小批生產(chǎn)時(shí)，常采用焊接或焊接和鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機(jī)械加工過(guò)程和使用中的變形，防止出現(xiàn)裂紋，無(wú)論是鑄造或是焊接箱體均應(yīng)進(jìn)行退火、時(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。

為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況，在箱體上應(yīng)設(shè)有觀察窗。機(jī)座旁一般設(shè)有連體吊鉤，供起吊整臺(tái)齒輪箱用。

箱體支座的凸緣應(yīng)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(jié)構(gòu)，其支承剛度要作仔細(xì)的核算。為了減小齒輪箱傳到機(jī)艙機(jī)座的振動(dòng)，齒輪箱可安裝在彈性減振器上。最簡(jiǎn)單的彈性減振器是用高強(qiáng)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(jié)果。

箱蓋上還應(yīng)設(shè)有透氣罩、油標(biāo)或油位指示器。在相應(yīng)部位設(shè)有注油器和放油孔。放油孔四周應(yīng)留有足夠的放油空間。采用強(qiáng)制潤(rùn)滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位設(shè)置進(jìn)出油口和相關(guān)的液壓件的安裝位置。齒輪和軸的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境非常惡劣，受力情況復(fù)雜，要求所用的材料除了要滿足機(jī)械強(qiáng)度條件外，還應(yīng)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(wěn)定性等等。對(duì)齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動(dòng)力的功能而要求極為嚴(yán)格的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般情況下不推薦采用裝配式拼裝結(jié)構(gòu)或焊接結(jié)構(gòu)，齒輪毛坯只要在鍛造條件答應(yīng)的范圍內(nèi)，都采用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當(dāng)齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時(shí)，由于齒輪和軸之間的連接所限，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(nèi)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(yīng)的力學(xué)特征。合理的預(yù)熱處理以及中間和最終熱處理工藝，保證了材料的綜合機(jī)械性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

齒輪箱內(nèi)用作主傳動(dòng)的齒輪精度，外齒輪不低于5級(jí)GB/T10095，內(nèi)齒輪不低于6級(jí)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(dá)到HRC60+/-2，具有良好的抗磨損接觸強(qiáng)度，輪齒心部則具有相對(duì)較低的硬度和較好的韌性，能提高抗彎曲強(qiáng)度，而通常對(duì)齒部的最終加工是采用磨齒工藝。

加工人字齒的時(shí)候，如是整體結(jié)構(gòu)，半人字齒輪之間應(yīng)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(zhǔn)確對(duì)齒，再通過(guò)過(guò)盈配合套裝在軸上。

齒輪加工中，規(guī)定好加工的工藝基準(zhǔn)非常重要。軸齒輪加工時(shí)，常用頂尖頂緊兩軸端中心孔安裝在機(jī)床上。圓柱齒輪則利用其內(nèi)孔和一個(gè)端面作為工藝基準(zhǔn)，用夾具或通過(guò)校準(zhǔn)在機(jī)床上定位。