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生的動力傳遞給發(fā)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(fā)電機發(fā)電所要求的轉速，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)連接的結構。為了增加機組的制動能力，經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(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，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。還要設置監(jiān)控點，對運轉和潤滑狀態(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構也因此而異。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，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(huán)節(jié)上，大量的實踐證實，這個環(huán)節(jié)經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(yōu)化設計，排定最佳傳動方案，選用合理的設計參數(shù)，選擇穩(wěn)定可靠的構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(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、設計要求

風力發(fā)電機組增速箱的設計參數(shù)，除另有規(guī)定外，經常采用優(yōu)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(yōu)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(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。

（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具體的可靠性分析計算，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(jié)齒輪箱的構造

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構

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，保證傳動質量。箱體的設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，選取合適的支承結構和壁厚，增設必要的加強筋。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。利用計算機輔助設計，可以獲得和實際應力十分接近的結果。

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。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(fā)電齒輪箱應用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。

單件、小批生產時，常采用焊接或焊接和鑄造相結合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現(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(fā)電機組運轉環(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答應的范圍內，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(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。