第一節(jié)概述

風力發(fā)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功能下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。通常風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速功能來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機組的總體布置要求，有時將和風輪輪轂直接相連的傳動軸（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)。為了增加機組的制動能力，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（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統(tǒng)進行聯(lián)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(guī)律的變向變負荷的風力功能以及強陣風的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴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(gòu)件材料的要求，除了常規(guī)狀態(tài)下機械性能外，還應該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性；應保證齒輪箱平穩(wěn)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(qū)，要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設(shè)置監(jiān)控點，對運轉(zhuǎn)和潤滑狀態(tài)進行遙控。

不同形式的風力發(fā)電機組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。在風電界水平軸風力發(fā)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(fā)電受自然條件的影響，一些非凡氣象狀況的出現(xiàn)，皆可能導致風電機組發(fā)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(chǔ)，整個傳動系的動力匹配和扭轉(zhuǎn)振動的因素總是集中反映在某個薄弱環(huán)節(jié)上，大量的實踐證實，這個環(huán)節(jié)經(jīng)常是機組中的齒輪箱。因此，加強對齒輪箱的探究，重視對其進行維護保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。第二節(jié)設(shè)計要求設(shè)計必須保證在滿足可靠性和預期壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)簡化并且重量最輕。通常應采用CAD優(yōu)化設(shè)計，排定最佳傳動方案，選用合理的設(shè)計參數(shù)，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學特性以及在環(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(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。
風力發(fā)電機組載荷譜是齒輪箱設(shè)計計算的基礎(chǔ)。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(shù)KA＝1。當無法得到載荷譜時，對于三葉片風力發(fā)電機組取KA=1.3。

二、設(shè)計要求

風力發(fā)電機組增速箱的設(shè)計參數(shù)，除另有規(guī)定外，經(jīng)常采用優(yōu)化設(shè)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(yōu)設(shè)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(fā)電齒輪箱的專業(yè)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(fā)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辦法摘要：

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(fā)生共振；
4.安裝時采取必要的減振辦法，將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規(guī)定的C級之內(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行疲憊分析，對齒輪箱整機及其零件的設(shè)計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進行極限強度分析、疲憊分析、穩(wěn)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(shè)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(shè)計之初必須進行可靠性分析，而在施工設(shè)計完成后再次進行具體的可靠性分析計算，其中包括精心選取可靠性好的結(jié)構(gòu)和對重要的零部件以及整機進行可靠性估算。

第三節(jié)齒輪箱的構(gòu)造

一、齒輪箱的類型和特征
風力發(fā)電機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的齒輪箱；按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級齒輪箱；按照轉(zhuǎn)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征和應用見表.20.1-1。
（表20.1-1風力發(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，它承受來自風輪的功能力和齒輪傳動時產(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，保證傳動質(zhì)量。箱體的設(shè)計應按照風電機組動力傳動的布局布置、加工和裝配條件、便于檢查和維護等要求來進行。應注重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(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強筋。筋的位置須和引起箱體變形的功能力的方向相一致。

箱體的應力情況十分復雜且分布不勻，只有采用現(xiàn)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(shè)計，可以獲得和實際應力十分接近的結(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(shè)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(fā)電齒輪箱應用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。

單件、小批生產(chǎn)時，常采用焊接或焊接和鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現(xiàn)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(nèi)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(shè)有觀察窗。機座旁一般設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)果。

箱蓋上還應設(shè)有透氣罩、油標或油位指示器。在相應部位設(shè)有注油器和放油孔。放油孔四周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(shè)置進出油口和相關(guān)的液壓件的安裝位置。齒輪和軸的結(jié)構(gòu)風力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)環(huán)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(wěn)定性等等。對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動力的功能而要求極為嚴格的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計，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的范圍內(nèi)，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(shè)計要求。

齒輪箱內(nèi)用作主傳動的齒輪精度，外齒輪不低于5級GB/T10095，內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(guī)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(nèi)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。