風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的若干技術(shù)問題概述 采用齒輪傳動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，齒輪箱是主動力軸系重要的機(jī)械部件，其功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)。由于機(jī)組受無規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(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，保證齒輪箱平穩(wěn)工作，防止振動和沖擊，保證充分潤滑條件，等等。對冬夏溫差巨大的地區(qū)，還要設(shè)置監(jiān)控點，配置合適的加熱和冷卻裝置。對齒輪箱的性能、制造精度、裝配和試驗提出了一系列近乎苛刻的要求。1.齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中的布置形式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸系最為常見的布置形式如圖1所示，與風(fēng)輪連接的大軸支撐在兩個單獨設(shè)置的軸承上，其末端通過漲緊套與齒輪箱相連。齒輪箱的支架安裝在機(jī)艙底盤上，而齒輪箱的高速軸則用柔性聯(lián)軸節(jié)與發(fā)電機(jī)相連。這就是所謂的“一字型”布置。風(fēng)輪的異常載荷通常由兩個大軸軸承承受，齒輪箱受到影響較少，各個主要部件間隔較大，便于安裝和維修，只是機(jī)艙軸向尺寸較長。但也有的觀點認(rèn)為大軸的 圖1. 常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置形式：大軸獨立支撐，末端與齒輪箱連接如果省去一個大軸的支撐軸承，使大軸末端直接與齒輪箱輸入軸相連，則變?yōu)閳D20-2所示的結(jié)構(gòu)，在這種情況下，雖然能縮短軸向尺寸，但對齒輪箱不利，必須采取措施加強(qiáng)其支撐剛性，同時要盡可能消除風(fēng)輪通過大軸對齒輪箱施加異常負(fù)荷的影響。 圖20-2 大軸一端支撐在軸承上另一端直接與齒輪箱連接的結(jié)構(gòu) 有時為了縮短機(jī)艙長度尺寸而將發(fā)電機(jī)反向布置，發(fā)電機(jī)騎在大軸箱上，這時齒輪箱的輸入和輸出軸處于同一側(cè)，齒輪箱設(shè)計成“ U ”型，大軸箱與主支架做成一體，具有足夠的支撐剛性，機(jī)艙內(nèi)各部分重量的集中度較好（見圖20-3）。 圖20-3 齒輪箱“ U ”型布置形式為了進(jìn)一步減小機(jī)艙體積，也可以省去大軸，如圖20-4所示，將齒輪箱輸入軸和風(fēng)輪輪轂過渡法蘭直接連接，過渡法蘭用一個特殊的軸承支撐。 圖20-5 齒輪箱直接與風(fēng)輪法蘭連接的結(jié)構(gòu)更為緊湊的，將齒輪箱與機(jī)艙主支架做成一體，齒輪箱低速級的行星架直接與輪轂聯(lián)接，使傳動線路最短，增加了機(jī)組結(jié)構(gòu)剛性，只是主機(jī)架和齒輪箱制造難度加大。（見圖20-6）。 圖20-6 齒輪箱與機(jī)艙主支架一體化設(shè)計的布置形式 第二節(jié) 齒輪箱設(shè)計作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動關(guān)鍵部件，齒輪箱位于風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間傳遞動力提高轉(zhuǎn)速，是一種在無規(guī)律變向載荷和瞬間強(qiáng)沖擊載荷作用下工作的重載齒輪傳動裝置。特別需要指出的是，在狹小的機(jī)艙空間內(nèi)減小部件的外形尺寸和減輕重量十分重要，因此齒輪箱設(shè)計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)簡化并且重量最輕，同時要考慮便于維護(hù)的要求。根據(jù)機(jī)組提供的參數(shù)，采用CAD優(yōu)化設(shè)計，排定最佳傳動方案，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，配備完整充分的潤滑、冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控裝置，等等，是設(shè)計齒輪箱的必要前提條件。受風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的限制，齒輪箱輸入額定轉(zhuǎn)速一般在20 r/min 左右，而發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速通常為1，000 1，500 r/min ，故齒輪箱的增速比在 50 100 左右。300kW 2，000kW風(fēng)電機(jī)組齒輪箱，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，常常采用行星齒輪傳動或行星與平行軸齒輪組合傳動。 圖207 一級行星兩級平行軸齒輪傳動的風(fēng)電增速箱 常見的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱如圖207 所示，由一級行星齒輪和兩級平行軸齒輪傳動組成，是一種典型的傳動裝置。齒輪箱利用其前箱蓋上的兩個突緣孔內(nèi)的彈性套支撐在支架上。齒輪箱低速級的行星架通過漲緊套與機(jī)組的大軸連接，三個一組的行星輪將動力傳至太陽輪，再通過內(nèi)齒聯(lián)軸節(jié)傳至位于后箱體內(nèi)的第一級平行軸齒輪，再經(jīng)過第二級平行軸齒輪傳至高速級的輸出軸，通過柔性聯(lián)軸節(jié)與發(fā)電機(jī)相聯(lián)。齒輪箱輸出軸端裝有制動法蘭供安裝系統(tǒng)制動器用。此外，為了保護(hù)齒輪箱免受極端負(fù)荷的破壞，中間傳動軸上還裝有安全保護(hù)裝置。 一、設(shè)計要求 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(fēng)輪、發(fā)電機(jī)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(jī)的外部工作條件。為此要建立整個機(jī)組的動態(tài)仿真模型，對啟動、運行、空轉(zhuǎn)、停機(jī)、正常啟動和緊急制動等各種工況進(jìn)行模擬，針對不同的機(jī)型得出相應(yīng)的動態(tài)功率曲線，利用專用的設(shè)計軟件進(jìn)行分析計算，求出零部件的設(shè)計載荷，并以此為依據(jù)，對齒輪箱主要零部件作強(qiáng)度計算。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，也可以按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算確定。國際上通行的標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)力機(jī)組認(rèn)證規(guī)范有相應(yīng)的章節(jié)給出載荷譜計算公式，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動載荷譜分析計算作了詳盡的講解。這些資料都可用作設(shè)計計算的參考。我國于2003年9月頒布了GB/T 19073-2003 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 齒輪箱 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了風(fēng)輪掃掠面積大于或等于40 m2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速齒輪箱的技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)定和標(biāo)志、包裝、運輸、貯存等要求。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 81400- 4：2005 ，基本上等同于美國風(fēng)能協(xié)會（AWEA）和美國齒輪協(xié)會（AGMA）制訂的美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AGMA/AWEA6006-A03 “Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines”，對40kW 2 MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速齒輪箱的設(shè)計制造和應(yīng)用作了具體的規(guī)定。德國勞氏船級社的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證規(guī)范中也對齒輪箱的校核要求作了詳細(xì)規(guī)定。 按照GB/T 19073-2003， 對于齒輪箱的使用系數(shù)（即動載荷放大因子）推薦如下: 給定載荷譜計算時，通常先確定等效載荷，齒輪箱使用系數(shù)KA1； 無法得到載荷譜時，則采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對于三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組取KA=1.3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的主要承載零件是齒輪，其輪齒的失效形式主要是輪齒折斷和齒面點蝕、剝落等。各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都要求對齒輪的承載能力進(jìn)行分析計算，常用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中規(guī)定的齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核計算，對輪齒進(jìn)行極限狀態(tài)分析。齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇：1. 齒形角（分度圓壓力角） 的選擇齒輪的標(biāo)準(zhǔn)齒形角為20°。為了提高強(qiáng)度，有時也采用大齒形角（如23°、25°、28°等），使輪齒的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大，從而提高承載能力，但會增大軸承上的負(fù)荷。采用小齒形角（小于20°）時，可使避免根切的最少齒數(shù)增多，加大了重合度，從而降低噪聲和動載荷，但會減小輪齒的強(qiáng)度。根據(jù)實踐經(jīng)驗，如果沒有特別要求，建議采用20°標(biāo)準(zhǔn)齒形角。 2.模數(shù)m的選擇在滿足輪齒彎曲強(qiáng)度的條件下，選用較小的模數(shù)可以增大齒輪副的重合度，減小滑動率，也可以減小齒輪切削量，降低制造成本。但隨之而來的因制造和安裝的質(zhì)量問題會增大輪齒折斷的危險性，實際使用常常選用較大模數(shù)。模數(shù)的選擇應(yīng)符合GB/T1357的規(guī)定或按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取m =（0.0150.02）a 。齒輪的基本齒廓應(yīng)符合GB/T1356 的規(guī)定。a 是齒輪傳動的中心距。3.齒數(shù)z受齒輪根切的限制，小齒輪有最少齒數(shù)的要求。對于尺寸一定的齒輪，齒數(shù)增加和模數(shù)減小可明顯提高傳動質(zhì)量，故在滿足輪齒彎曲強(qiáng)度的條件下，應(yīng)盡量選用較多齒數(shù)。4.螺旋角角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點；取大值，可增大重合度，使傳動平穩(wěn)性提高，但會引起很大的軸向力，一般取=8°15°。人字齒輪可取大一些，例如取=25°40°。對于普通圓柱齒輪傳動，低速級轉(zhuǎn)速低扭矩大，可采用直齒輪；中間級通常取=8°12°；高速級為減小噪音，可取較大的角，如10°15°。5.齒寬b 齒寬是決定齒輪承載能力的主要尺寸之一，但齒寬越大，載荷沿齒寬分布不均的現(xiàn)象越嚴(yán)重。齒輪應(yīng)給定一個最小齒寬bmin，以保證齒輪足夠的剛度。一般取bmin=6 8m。采用行星輪系傳動時，為了提高傳動裝置的承載能力和減小尺寸和重量，往往對稱布置多個行星輪，在設(shè)計時需要解決一些特殊問題，以滿足正確嚙合的要求。例如在確定行星輪系的齒數(shù)時，要考慮以下幾個條件：1.傳動比條件 所設(shè)計的行星輪系必須能實現(xiàn)給定的傳動比，各種類型行星輪系的傳動比與齒數(shù)的關(guān)系可從機(jī)械設(shè)計手冊中查到。2.鄰接條件 使相鄰兩個行星輪的齒頂不相互干涉，保證其齒頂之間在連心線上至少有半個模數(shù)的空隙。3.同心條件 由中心輪和行星輪組成的所有齒輪副的實際中心距必須相等。4.裝配條件 在行星輪系中，幾個行星輪能對稱裝入并保證與中心輪正確嚙合應(yīng)具備的齒數(shù)關(guān)系。主要尺寸的初步確定：齒輪增速箱的主要尺寸可按下列方法之一初步確定。1） 參照已有的工作條件相同或類似的傳動，用類比方法初步確定主要尺寸。2） 根據(jù)增速箱在機(jī)艙上的安裝和布置要求，例如中心距、高度及外廓尺寸要求，定出主要尺寸。3） 根據(jù)計算機(jī)程序分析計算結(jié)果確定主要尺寸。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱的設(shè)計參數(shù)，除另有規(guī)定外，常常采用優(yōu)化設(shè)計的方法，即利用計算機(jī)的分析計算，反復(fù)對比，在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計方案。 二、 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(fēng)阻損失、其它機(jī)件阻尼等。齒輪傳動的效率可按下列公式計算：1234 式中 1齒輪嚙合摩擦損失的效率； 2軸承摩擦損失的效率；3潤滑油飛濺和攪油損失的效率；4其他摩擦損失的效率。對于行星輪系齒輪機(jī)構(gòu)，計算效率時還應(yīng)考慮對應(yīng)于均載機(jī)構(gòu)的摩檫損失。行星齒輪輪系的效率可通用一般機(jī)械設(shè)計手冊推薦的公式進(jìn)行計算。其方法主要有嚙合功率法和力偏移法兩種。嚙合功率法通過轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（定軸輪系）的機(jī)械效率來求出行星輪系的機(jī)械效率，雖然是一種近似算法，但由于方便計算和理解，故常用此法進(jìn)行設(shè)計計算。力偏移法有較高的精度，但計算繁雜，一般少用。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)械效率大于97%，是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)。對于采用滾動軸承支承且精確制造的閉式圓柱齒輪傳動，每一級傳動的效率可概略定為99%，一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的齒輪傳動不超過三級。值得指出的是，隨著傳遞載荷的減小，效率會有所下降，這是因為整個齒輪箱的空載損失，即潤滑油飛濺和攪動時的能量損失、軸承的摩擦以及密封等的損失，在傳遞功率變化時幾乎是不變的。 三、 噪聲級 風(fēng)力發(fā)電增速箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為85dB（A）左右。噪聲主要來自各傳動件，故應(yīng)采取相應(yīng)降低噪聲的措施： 適當(dāng)提高齒輪精度，進(jìn)行齒形修緣，增加嚙合重合度； 提高軸和軸承的剛度； 合理布置軸系和輪系傳動，避免發(fā)生共振。 齒輪箱安裝時采取必要的減振措施，按規(guī)范找正，充分保證機(jī)組的聯(lián)接剛度，將齒輪箱的機(jī)械振動控制在GB/T8543規(guī)定的C級之內(nèi)。 四、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)行疲勞分析，對齒輪箱整機(jī)及其零件的設(shè)計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動力學(xué)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(jī)運行條件下進(jìn)行零部件試驗的方法?？煽啃苑治龅牟襟E是: 在方案設(shè)計開始時進(jìn)行可靠性初步分析，而在施工設(shè)計完成后再次進(jìn)行詳細(xì)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(jī)進(jìn)行可靠性估算。 1.概率計算 以零件的應(yīng)力和強(qiáng)度都是正態(tài)分布為基本假設(shè)，計算出零件不破壞的概率，即可靠度R： Rdt式中 R可靠度系數(shù) a = 、強(qiáng)度、應(yīng)力的均值； Ss、Se強(qiáng)度、應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)離差。利用正態(tài)分布特性表，可由b 查得R，再由R查得a。 零件強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)離差，可從材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)離差并考慮零件尺寸及表面各種狀態(tài)而得到。無資料可查時，可取其值為疲勞強(qiáng)度-1 的十分之一。 2.運用威布爾分布來表達(dá)強(qiáng)度分布的函數(shù)，運用伯格柏爾（G.Lundberg-A.Palmgren）理論計算出零件可靠度的一定壽命值。 3.運用齒輪箱或零件的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來估算壽命值。此方法用于方案設(shè)計。對于齒輪箱而言，在確定設(shè)計參數(shù)時要留有擴(kuò)大功率的余地，即留有技術(shù)發(fā)展的空間。設(shè)計時應(yīng)采取必要的措施，盡可能降低噪音、振動等不利因素對可靠性的影響。例如，在對齒輪作靜強(qiáng)度計算時，輪齒齒根和齒面的最大靜應(yīng)力不應(yīng)大于其抵抗齒根斷裂和齒面點蝕的靜強(qiáng)度值，通常取齒根抗斷裂安全系數(shù)SF1.4，齒面抗點蝕安全系數(shù)SH1.0。而估算零件疲勞壽命的主要方法是基于疲勞損傷積累是線性的這一假設(shè)或稱邁內(nèi)爾（MINER）定理，方程式為： =1式中: ni規(guī)定應(yīng)力下的循環(huán)數(shù)； Ni規(guī)定應(yīng)力下，S-N曲線的橫坐標(biāo)。 一般情況下，齒輪的疲勞強(qiáng)度分析可按DIN3990或與之等效的GB/T348進(jìn)行, 推薦使用的安全系數(shù)為： 按實測載荷譜計算時： 輪齒表面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) 1.2； 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)1 無實測載荷譜計算時： 輪齒表面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) 1.3； 彎曲強(qiáng)度安全系數(shù) 1.7。行星齒輪傳動的齒輪強(qiáng)度計算可采用定軸齒輪傳動的計算公式，因為每一種行星齒輪傳動都可以分解為相互嚙合的幾對普通齒輪副。但需要考慮行星齒輪傳動的特點（數(shù)個行星輪）和運動特點（行星輪既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)）。對于最常用的NGW型（所謂NGW型是指具有內(nèi)嚙合齒輪副、外嚙合齒輪副和公用齒輪組成的行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)），其承載能力主要取決于外嚙合，因而首先要計算外嚙合的齒輪強(qiáng)度。外嚙合的中心輪，如NGW型的太陽輪，因結(jié)構(gòu)所限，尺寸較小，而又必須同時與幾個行星齒輪相嚙合，負(fù)載重，變形大，工作條件不好，是傳動中的薄弱環(huán)節(jié)，首先出現(xiàn)失效的可能性大，對這一點應(yīng)給于足夠的重視。內(nèi)嚙合齒輪的接觸強(qiáng)度理論上比外嚙合高得多，但實踐經(jīng)驗證明，在低速重載行星齒輪傳動中，內(nèi)齒輪的接觸強(qiáng)度常低于計算值，所以在對內(nèi)嚙合齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計算時必須考慮這一因素。行星輪在運轉(zhuǎn)中總是雙向受力，在對稱循環(huán)應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)彎曲疲勞而造成斷齒。需要特別指出的是斷齒在行星齒輪傳動中破壞性極大。當(dāng)有一個輪齒先折斷，碎塊落在內(nèi)齒輪上，行星輪經(jīng)過時會使傳動卡死，或使所有齒輪甚至軸和箱體全部損壞。因此設(shè)計時提高齒輪強(qiáng)度和整個裝置的可靠性是非常重要的。 為了使行星齒輪間載荷分配盡量均衡，通常采用均載機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償不可避免的制造誤差，即在機(jī)構(gòu)設(shè)計上采取措施，使傳動裝置各構(gòu)件在運轉(zhuǎn)過程中，相互能夠自動補(bǔ)償各種誤差，達(dá)到接近受載均勻的目的。最常用的均載機(jī)構(gòu)是利用基本構(gòu)件浮動，亦即某些構(gòu)件設(shè)計成允許作徑向及偏轉(zhuǎn)位移，當(dāng)受載不均衡時可自動尋找平衡位置，直至各行星輪之間載荷接近均勻分配。例如采用雙齒或單齒式齒輪聯(lián)軸器來保證浮動機(jī)構(gòu)在受力不均勻時產(chǎn)生位移，基本構(gòu)件中的一個或兩個浮動，以實現(xiàn)均載。也有采用彈性元件或杠桿聯(lián)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)均載的，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而少用。 第三節(jié) 齒輪箱的主要零部件 箱體 箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力。箱體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(zhì)量。箱體的設(shè)計應(yīng)按照風(fēng)電機(jī)組動力傳動的布局、加工和裝配、檢查以及維護(hù)等要求來進(jìn)行。應(yīng)注意軸承支承和機(jī)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(qiáng)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(yīng)力情況十分復(fù)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(xué)等方法輔以摸擬實際工況的光彈實驗，才能較為準(zhǔn)確地計算出應(yīng)力分布的狀況。利用計算機(jī)輔助設(shè)計，可以獲得與實際應(yīng)力十分接近的結(jié)果。 采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減振性，易于切削加工等特點， 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。設(shè)計鑄造箱體時應(yīng)盡量避免壁厚突變，減小壁厚差，以免產(chǎn)生縮孔和疏松等缺陷。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模量較小，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(yīng)部位的尺寸和重量都要加大。 單件、小批生產(chǎn)時，常采用焊接或焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機(jī)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(yīng)進(jìn)行退火、時效處理，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)的校核計算。為了減小齒輪箱傳到機(jī)艙機(jī)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(qiáng)度橡膠和鋼墊做成的彈性支座，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。放油孔周圍應(yīng)留有足夠的放油空間。 采用強(qiáng)制潤滑和冷卻的齒輪箱，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 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運轉(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(yán)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允許的范圍內(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，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，齒輪一般都采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。外齒輪推薦采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。內(nèi)齒圈按其結(jié)構(gòu)要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用與外齒輪相同的材料。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)計要求。 齒輪精度 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。選擇齒輪精度時要綜合考慮傳動系統(tǒng)的實際需要，優(yōu)秀的傳動質(zhì)量是靠傳動裝置各個組成部分零件的精度和內(nèi)在質(zhì)量來保證的，不能片面強(qiáng)調(diào)提高個別件的要求，使成本大幅度提高，卻達(dá)不到預(yù)定的效果。滲碳淬火 通常齒輪最終熱處理的方法是滲碳淬火，齒表面硬度達(dá)到HRC60+/-2，同時規(guī)定隨模數(shù)大小而變化的硬化層深度要求，具有良好的抗磨損接觸強(qiáng)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(qiáng)度。滲碳淬火后獲得較理想的表面殘余應(yīng)力，它可以使輪齒最大拉應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力減小。因此對齒根部分通常保留熱處理后的表面，在前道工序滾齒時要用齒形帶觸角的留磨量滾刀滾齒，從而在磨齒時不會磨去齒根部分。磨齒時選擇合適的砂輪和切削用量，輔以大流量的切削冷卻液是防止出現(xiàn)磨齒裂紋和燒傷的重要措施。對齒輪進(jìn)行超聲波探傷、磁粉探傷和涂色探傷，以及進(jìn)行必要的金相檢驗等，都是控制齒輪內(nèi)在質(zhì)量的有效措施。齒形加工 為了減輕齒輪副嚙合時的沖擊，降低噪聲，需要對齒輪的齒形齒向進(jìn)行修形。在齒輪設(shè)計計算時已根據(jù)齒輪的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度初步確定輪齒的變形量，再結(jié)合考慮軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形以及軸承和箱體的剛度，繪出齒形和齒向修形曲線，并在磨齒時進(jìn)行修正。圓柱齒輪的加工路線如下：下料鍛造毛坯荒車預(yù)熱處理粗車半精加工外形尺寸制齒加工（滾齒或插齒）去毛刺、齒頂?shù)估狻X端倒角熱處理（滲碳淬火）精加工基準(zhǔn)面磨齒檢驗清洗入庫。加工人字齒的時候，如是整體結(jié)構(gòu)，半人字齒輪之間應(yīng)有退刀槽；如是拼裝人字輪，則分別將兩半齒輪按普通齒輪加工，最后用工裝準(zhǔn)確對齒，再通過過盈配合套裝在軸上。在齒輪加工中，規(guī)定好加工工藝基準(zhǔn)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(jī)床上。盤狀圓柱齒輪則利用其內(nèi)孔或外圓以及一個端面作為工藝基準(zhǔn)，通過夾具或人工校準(zhǔn)在機(jī)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(bǔ)償軸向尺寸變動和便于安裝。齒輪與軸的聯(lián)接：平鍵聯(lián)結(jié) 常用于具有過盈配合的齒輪或聯(lián)軸節(jié)的聯(lián)結(jié)。由于鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，故可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件進(jìn)行選擇。如果強(qiáng)度不夠，可采用雙鍵，成180°布置，在強(qiáng)度校核時按1.5個鍵計算。花鍵聯(lián)結(jié) 通常這種聯(lián)結(jié)是沒有過盈的，因而被聯(lián)接零件需要軸向固定?；ㄦI聯(lián)接承載能力高，對中性好，但制造成本高，需用專用刀具加工?；ㄦI按其齒形不同，可分為矩形花鍵、漸開線花鍵和三角形花鍵三種。漸開線花鍵聯(lián)接在承受負(fù)載時齒間的徑向力能起到自動定心作用，使各個齒受力比較均勻，其加工工藝與齒輪大致相同，易獲得較高的精度和互換性，故在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱中應(yīng)用較廣。 過盈配合聯(lián)接 過盈配合聯(lián)接能使軸和齒輪（或聯(lián)軸節(jié)）具有最好的對中性，特別是在經(jīng)常出現(xiàn)沖擊載荷情況下，這種聯(lián)接能可靠地工作，在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱中得到廣泛的應(yīng)用。利用零件間的過盈配合形成的聯(lián)接，其配合表面為圓柱面或圓錐面（錐度可取1：301：8）。圓錐面過盈聯(lián)接多用于載荷較大，需多次裝拆的場合。 脹緊套聯(lián)接 利用軸、孔與錐形彈性套之間接觸面上產(chǎn)生的摩擦力來傳遞動力，是一種無鍵聯(lián)接方式，定心性好，裝拆方便，承載能力高，能沿周向和軸向調(diào)節(jié)軸與輪轂的相對位置，且具有安全保護(hù)作用。彈性套是在軸向壓緊力的作用下，其錐面迫使被其套住的軸內(nèi)環(huán)縮小，壓緊被包容的軸頸，形成過盈結(jié)合面實現(xiàn)聯(lián)結(jié)。彈性套材料多用65、65Mn、55CR2或60Cr2等鋼材。彈性套的工作應(yīng)力一般不應(yīng)超過其材料的屈服極限，其強(qiáng)度和變形可根據(jù)圓錐面過盈聯(lián)接公式計算。內(nèi)外環(huán)與軸和轂孔的配合通常取H7/h6，配合表面粗糙度為Ra0.8Ra0.2。聯(lián)接表面的壓力可按厚壁圓筒的有關(guān)公式計算。軸 齒輪箱中的軸按其主動和被動關(guān)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，與風(fēng)輪輪轂、中間軸或電機(jī)傳動軸相聯(lián)接。為了提高可靠性和減小外形尺寸，有時將半聯(lián)軸器（法蘭）與軸制成一體。輸出軸和輸入軸的軸徑d（mm）可按下式作粗略計算：d=A式中 A與材料有關(guān)的系數(shù)，A=105 115，材料較好時取較小值； P軸傳遞的功率，kW； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min。 d按計算結(jié)果取較大值并圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑，且以此為最小軸徑設(shè)計成階梯軸。中間軸直徑則按彎矩和扭矩的合成進(jìn)行計算。在軸的設(shè)計圖完成后再進(jìn)行精確的分析計算,最終完善細(xì)部結(jié)構(gòu). 由于是增速傳動，較大的傳動比使軸上的齒輪直徑較小，因而輸出軸往往采用軸齒輪的結(jié)構(gòu).為保證軸的強(qiáng)度和剛度，允許軸的直徑略小于齒輪頂圓，此時要注意留有滾齒、磨齒的退刀間距，盡可能避免損傷軸承軸頸。 軸上各個配合部分的軸頸需要進(jìn)行磨削加工。為了減少應(yīng)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(yīng)作必要的處理，例如拋光，以提高軸的疲勞強(qiáng)度。在過盈配合處，為減少輪轂邊緣的應(yīng)力集中，壓合處的軸徑應(yīng)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(yīng)可靠，工作載荷應(yīng)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(lián)鐵絲等。有時為了節(jié)省空間，簡化結(jié)構(gòu)，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(fù)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調(diào)質(zhì)，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(yōu)質(zhì)低碳合金綱，進(jìn)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(yīng)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(nèi)變化時也如此。滾動軸承的安裝和使用都很方便，但是，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速接近極限轉(zhuǎn)速時，軸承的承載能力和壽命急劇下降，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引起齒輪和軸承內(nèi)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(jīng)常發(fā)生斷齒的現(xiàn)象，在許多情況下又是由于軸承的質(zhì)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(jù)載荷的性質(zhì)，還應(yīng)根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)要求來確定。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 6391-2003 等效采用 ISO 281 （DIN281），提供了軸承基本額定壽命和修正額定壽命的計算公式。一般推薦在極端載荷下的靜承載能力系數(shù)fs應(yīng)不小于2.0。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱輸入軸軸承的靜強(qiáng)度計算時，需計入風(fēng)輪的附加靜負(fù)荷。軸承的使用壽命采用擴(kuò)展壽命計算方法來進(jìn)行計算，其所用的失效概率設(shè)定為10%，如果按典型載荷譜考慮時，其平均當(dāng)量負(fù)荷按下式計算： Pm= 式中： P-平均當(dāng)量動載荷； P作用于軸承上的當(dāng)量動載荷； N總的循環(huán)次數(shù)； 壽命指數(shù)。對于球軸承=3，滾動軸承=10/3。計算的使用壽命應(yīng)不小于13萬小時。運轉(zhuǎn)過程中，在安裝、潤滑、維護(hù)都正常的情況下，軸承由于套圈與滾動體的接觸表面經(jīng)受交變負(fù)荷的反復(fù)作用而產(chǎn)生疲勞剝落。一般情況下，首先在表面下出現(xiàn)細(xì)小裂紋。在繼續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，裂紋逐步增大，材料剝落，產(chǎn)生麻點，最后造成大面積剝落。疲勞剝落若發(fā)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(tǒng)計規(guī)律，因而軸承壽命總是與損壞概率或可靠性相聯(lián)系。對于軸承損壞，實踐中主要憑借軸承支承工作性能的異常來辨別。運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和噪聲異常，往往是軸承滾動面受損或因磨損導(dǎo)致徑向游隙增大而產(chǎn)生損壞的反映。當(dāng)運轉(zhuǎn)時支承有沉重感，不靈便，摩擦力大，一般是由于滾道損壞、軸承過緊或潤滑不良造成的損壞。其表現(xiàn)就是溫度升高。在日常運轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)工作條件沒有變，而溫度突然上升，通常就是軸承損壞的標(biāo)志。在監(jiān)控系統(tǒng)中可以用溫度或振動測量裝置檢測箱體的軸承部位，以便及時發(fā)現(xiàn)軸承工作性能方面的變化。在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱上常采用的軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承等。在所有的滾動軸承中，調(diào)心滾子軸承的承載能力最大，且能夠廣泛應(yīng)用在承受較大負(fù)載或者難以避免同軸誤差和撓曲較大的支承部位。調(diào)心滾子軸承裝有雙列球面滾子，滾子軸線傾斜于軸承的旋轉(zhuǎn)軸線。其外圈滾道呈球面形，因此滾子可在外圈滾道內(nèi)進(jìn)行調(diào)心，以補(bǔ)償軸的撓曲和同心誤差。這種軸承的滾道型面與球面滾子型面非常匹配。雙排球面滾子在具有三個固定擋邊的內(nèi)圈滾道上滾動，中擋邊引導(dǎo)滾子的內(nèi)端面。當(dāng)帶有滾子組件的內(nèi)圈從外圈中向外擺動時，則由內(nèi)圈的兩個外擋邊保持滾子。每排滾子均有一個黃銅實體保持架或鋼制沖壓保持架。通常在外圈上設(shè)有環(huán)形槽，其上有三個徑向孔，用作潤滑油通道，使軸承得到極為有效的潤滑。軸承的套圈和滾子主要用鉻鋼制造并經(jīng)淬火處理，具備足夠的強(qiáng)度、高的硬度和良好的韌性和耐磨性。密封 齒輪箱軸伸部位的密封一方面應(yīng)能防止?jié)櫥屯庑?，同時也能防止雜質(zhì)進(jìn)入箱體內(nèi)。常用的密封分為非接觸式密封和接觸式密封兩種。1. 非接觸式密封所有的非接觸式密封不會產(chǎn)生磨損，使用時間長。軸與端蓋孔間的間隙形成的密封，是一種簡單密封。間隙大小取決于軸的徑向跳動大小和端蓋孔相對于軸承孔的不同軸度。在端蓋孔或軸頸上加工出一些溝槽，一般24個，形成所謂的迷宮，溝槽底部開有回油槽，使外泄的油液遇到溝槽改變方向輸回箱體中。也可以在密封的內(nèi)側(cè)設(shè)置甩油盤，阻擋飛濺的油液，增強(qiáng)密封效果。2接觸式密封接觸式密封使用的密封件應(yīng)使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和裝拆，應(yīng)能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動補(bǔ)償磨損。常用的旋轉(zhuǎn)軸用唇形密封圈有多種形式，可按標(biāo)準(zhǔn)選?。ㄒ姌?biāo)準(zhǔn)GB13871-92或與之等效的ISO6194/1-1982）。密封部位軸的表面粗糙度Ra=0.20.63µm。與密封圈接觸的軸表面不允許有螺旋形機(jī)加工痕跡. 軸端應(yīng)有小于30度的導(dǎo)入倒角，倒角上不應(yīng)有銳邊、毛刺和粗糙的機(jī)加工殘留物。齒輪箱的潤滑、冷卻和加熱齒輪箱的潤滑十分重要，良好的潤滑能夠?qū)X輪和軸承起到足夠的保護(hù)作用。為此，必須高度重視齒輪箱的潤滑問題，嚴(yán)格按照規(guī)范保持潤滑系統(tǒng)長期處于最佳狀態(tài)。齒輪箱常采用飛濺潤滑或強(qiáng)制潤滑，一般以強(qiáng)制潤滑為多見。因此，配備可靠的潤滑系統(tǒng)尤為重要。在機(jī)組潤滑系統(tǒng)中 ，齒輪泵從油箱將油液經(jīng)濾油器輸送到齒輪箱的潤滑系統(tǒng)，對齒輪箱的齒輪和傳動件進(jìn)行潤滑，管路上裝有各種監(jiān)控裝置，確保齒輪箱在運轉(zhuǎn)當(dāng)中不會出現(xiàn)斷油。保持油液的清潔十分重要，即使是第一次使用的新油，也要經(jīng)過過濾，系統(tǒng)中除了主濾油器以外，最好加裝旁路濾油器或輔助濾油器，以確保油液的潔凈。 對潤滑油的要求應(yīng)考慮能夠起齒輪和軸承的保護(hù)作用。此外還應(yīng)具備如下性能：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。風(fēng)力發(fā)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(qiáng)度。硬齒面在轉(zhuǎn)動中承受高壓和高溫，在滑動和滾動摩擦的作用下，因潤滑不足，很可能會在齒輪箱運轉(zhuǎn)的初期，例如一年左右，105106應(yīng)力循環(huán)作用時，出現(xiàn)一些直徑10毫米左右的麻點，我們稱之為“微點蝕”現(xiàn)象，進(jìn)而使噪音增大，引起毀壞性的點蝕和齒面剝落損壞。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)齒輪傳動研究室對此作過深入的研究，他們制定的FZG測試是一種標(biāo)準(zhǔn)測試，對使用某一品牌潤滑油的齒輪副作閉式循環(huán)加載試驗，負(fù)載分12個等級，主要測試潤滑油的抗磨損性能和抗膠合能力。常用的潤滑油在使用的初期都能通過FZG測試，但使用一段時間后性能將會降低。FLENDER公司的單級微點蝕試驗則更為嚴(yán)格，要求評估經(jīng)100小時和400小時加載試驗后齒面上的微點蝕和齒形變化情況。高品質(zhì)的潤滑油在整個預(yù)期壽命內(nèi)都應(yīng)保持良好的抗磨損和抗膠合性能。粘度是潤滑油的一個最重要的指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境和操作條件選定。為提高齒輪的承載能力和抗沖擊能力，適當(dāng)?shù)靥砑右恍┨砑觿┛梢蕴岣邼櫥阅芎蜏p少氧化，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(jù)自己的經(jīng)驗或?qū)嶒炑芯客扑]各種不同的潤滑油，常用的MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220 GB5903-95齒輪油就是根據(jù)齒面接觸應(yīng)力和軸承使用要求以及環(huán)境條件選用的。 潤滑油公司推薦的合成油，例如MobilgearXMP和SHC XMP是專為風(fēng)力發(fā)電齒輪箱研制的油品。合成油的主要優(yōu)點是：在極低溫度狀況下具有較好的流動性；在高溫時的化學(xué)穩(wěn)定性好并可抑制粘度降低。這就不同于普通礦物油，不會出現(xiàn)遇高溫會分解而在低溫時易于凝結(jié)的情況。 為解決低溫下啟動時普通礦物油解凍問題，在高寒地區(qū)應(yīng)給機(jī)組設(shè)置油加熱裝置。常見的油加熱裝置是電熱管式的，裝在油箱底部。在冬季低溫狀況下啟動時，利用油加熱器加熱油液至攝氏10度以上再啟動機(jī)組，以避免因油的流動性不良而造成潤滑失效，損壞齒輪和傳動件。潤滑油系統(tǒng)中的散熱器常用風(fēng)冷式的，由系統(tǒng)中的溫度傳感器控制，在必要時通過電控旁路閥自動打開冷卻回路，使油液先流經(jīng)散熱器散熱，再進(jìn)入齒輪箱。 第四節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)品介紹 國際上許多有實力的齒輪專業(yè)廠都能提供風(fēng)力發(fā)電齒輪箱，比較著名的有德國的Winergy、Renk、Rexroth（原稱Lohmann & Stolterfoht）和比利時的Hansen公司。這些公司具有20多年風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱設(shè)計制造經(jīng)驗，產(chǎn)品系列覆蓋50kW 至5MW 以上的功率范圍，采用緊湊型的行星齒輪和斜齒平行軸齒輪傳動結(jié)構(gòu)，配合撿測溫度和振動的狀態(tài)監(jiān)控裝置，能適應(yīng)20至50的環(huán)境工作溫度。德國Winergy 是一家風(fēng)力發(fā)電傳動系統(tǒng)專業(yè)生產(chǎn)廠家，至今已向世界風(fēng)電市場提供了30，000余臺風(fēng)力發(fā)電增速箱。表1是該公司生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電增速箱類型。 表1 德國Winnergy 齒輪箱類型齒輪箱型號功率范圍kW輸入轉(zhuǎn)速r/min重量kg結(jié)構(gòu)特點SZAK 1225-1425SDAK 1420-1550SDNK 1400-1695 50-75050-30600-1,45023級平行軸式斜齒圓柱齒輪傳動PEAK 4224-4375PENK 4224-4375PEAC 4280-4455PEAL 4280-4375PEAS 4280-4455300-2,80030-162,800-26,0001級行星和2級平行軸斜齒輪傳動PZAB 3415-36802,300-5,00018-1218,000-60,0002級行星和1級平行軸斜齒輪傳動 德國Rexroth生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱有十多種類型，見表2所示。這些齒輪箱的供應(yīng)量已超過了5，000臺。從表中可以看出，功率相近的齒輪箱，其重量差別很大，這是由于不同的傳動系統(tǒng)布置決定了齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式，齒輪箱專業(yè)廠必須與主機(jī)廠密切合作，才能開發(fā)完全適應(yīng)要求的產(chǎn)品。 表2 德國Rexroth 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱類型齒輪箱型號發(fā)電機(jī)功率kW輸入扭矩kNm傳動比重量kgGPC 210GPV 300GPV 306GPV 400GPV 401GPV 420GPV 441GPV 451GPW 5453006608501,6501,7501,5002,0001,5003,100862153508658659101,2607901,5534:153:162:179:179:170/87:192-120:173-98:173:12,0803,8504,50011,50011,50013,80014,50013,90042,000 國內(nèi)也有不少風(fēng)力發(fā)電齒輪箱專業(yè)生產(chǎn)廠，其中最為著名的是重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)有限公司和南京高精齒輪股份有限公司等三家，它們都是國家機(jī)械工業(yè)大型骨干企業(yè)，擁有先進(jìn)的加工設(shè)備和設(shè)計制造技術(shù)，可以為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)批量提供各種型號的齒輪箱產(chǎn)品。近年來這幾家公司在吸收國際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)了不少新產(chǎn)品，如南京高精齒輪股份有限公司的FD系列、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司的FL系列、杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)有限公司的FZ系列等，吸收了國外產(chǎn)品的特點，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，質(zhì)量可靠，可供主機(jī)廠按照機(jī)組要求選用。表3 重慶齒輪箱責(zé)任有限公司風(fēng)力發(fā)電齒輪箱主要產(chǎn)品參數(shù)型號傳動方式額定功率 kW增速比輸入轉(zhuǎn)速 r/min重量 kgFL600一級行星+兩級平行軸 64556.526.859700FLA750 一級行星+兩級平行軸 82569.8621.734500FLA800一級行星+一級平行軸 88068.2522.275900FLA1000 一級行星+兩級平行軸 110053.3818.73312500FL1300一級行星+兩級平行軸 139078.6219.2716000FLA1300一級行星+兩級平行軸 1397.5791916000FL1500一級行星+兩級平行軸15006714.9217000FL2000一級行星兩級平行軸220066.617 表4 杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)有限公司風(fēng)力發(fā)電齒輪箱主要產(chǎn)品參數(shù)型號傳動方式額定功率 kW增速比輸入轉(zhuǎn)速 r/min重量 kgFZ100兩級平行軸13523.98942.21000FZ200兩級平行軸24022.33451600FZ250兩級平行軸28023.4431900FZ250LX兩級行星27538.239.261500FZ600B一級行星+兩級平行軸 64556.6 26.89000FZ646兩級行星 64545.529 33.54000FZ800一級行星+兩級平行軸 88067.4 22.256000FZ1300一級行星+兩級平行軸 139078.628 19.2711000FZ1500一級行星+兩級平行軸 161067 1913000表5 南京高精齒輪股份有限公司風(fēng)力發(fā)電齒輪箱主要產(chǎn)品參數(shù) 型號傳動方式額定功率 kW增速比輸入轉(zhuǎn)速 r/min重量 kgFD200兩級平行軸20036.12421820FD250兩級平行軸 25023.68431950FD300兩級平行軸 30044.66344650FD600W兩級行星 60045.0333.53200FD645一級行星+兩級平行軸 64555.727.24100FD645J一級行星+兩級平行軸 64556.5126.89600FD660一級行星+兩級平行軸 66052.6228.54250FD660M三級平行軸功率雙分流 66059.5425.57600FD825A一級行星+兩級平行軸 82567.422.34500FD825B一級行星+一級平行軸 82569.94 21.735900FD1390一級行星+兩級平行軸 139078.72 19.271100FD1500一級行星+兩級平行軸 150067.06 1912000FD1660一級行星+兩級平行軸 166072/78 201300FD2250一級行星+兩級平行軸225098.917.520000FD2750一級行星+兩級平行軸27501001524000圖208 所示的齒輪箱將大軸與齒輪箱做成一體，齒輪箱前端法蘭直接與風(fēng)輪輪轂連接，大軸末端裝有行星架，帶動一組行星輪將動力傳至平行軸齒輪，再經(jīng)兩級增速傳至高速軸。 圖20-8 帶大軸的一級行星和兩級圓柱齒輪傳動齒輪箱 圖20.9為兩級行星和一級圓柱齒輪傳動齒輪箱的展開圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大軸通過齒形聯(lián)軸節(jié)將動力傳到第一級行星齒輪，再由太陽輪傳至第二級行星輪，最后由末級平行軸齒輪將動力分流輸出。有兩個取力裝置，其中一個通過高彈性聯(lián)軸節(jié)帶動發(fā)電機(jī)，另一個則作為他種用途的驅(qū)動裝置。兩個行星齒輪傳動裝置的太陽輪均通過齒形聯(lián)軸節(jié)將動力傳至下一級。 圖20-9兩級行星和一級圓柱齒輪分流傳動齒輪箱 圖20-10所示的齒輪箱結(jié)構(gòu)將行星架固定，兩組行星輪變?yōu)槠叫休S圓柱齒輪傳動。由于行星架固定，內(nèi)齒圈變成主動輪，通過兩排齒輪分流和合流傳動至末級高速軸。從結(jié)構(gòu)上看，這種布置使得各個組件可獨立拆卸，便于在機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行檢修。圖20-10 行星軸固定的三級圓柱齒輪傳動齒輪箱 齒輪箱內(nèi)部的潤滑，特別是行星級齒輪、高速級齒輪和軸承的潤滑既要充分又要合理，從圖2011 所示的1.6MW風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)中可以看到，不光是箱體外部布置了許多潤滑管路，而且在箱體內(nèi)壁、行星架以及傳動軸上都設(shè)置了必要的潤滑油路，保證了各個潤滑點油的供應(yīng)量，維持了系統(tǒng)的熱平衡。圖2012 是該齒輪箱的外形尺寸圖。 圖2011 齒輪箱潤滑油路設(shè)置 圖2012 1.6MW風(fēng)力發(fā)電齒輪箱外形尺寸圖 第五節(jié) 齒輪箱的使用及其維護(hù) 安裝要求 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(jī)聯(lián)接時，應(yīng)采用合適的聯(lián)軸器，最好是彈性聯(lián)軸器，并串接起保護(hù)作用的安全裝置。齒輪箱軸線和與之相聯(lián)接的部件的軸線應(yīng)保證同心，其誤差不得大于所選用聯(lián)軸器和齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉(zhuǎn)力。齒輪箱安裝后用人工盤動應(yīng)靈活，無卡滯現(xiàn)象。打開觀察窗蓋檢查箱體內(nèi)部機(jī)件應(yīng)無銹蝕現(xiàn)象。用涂色法檢驗，齒面接觸斑點應(yīng)達(dá)到技術(shù)條件的要求。機(jī)組運轉(zhuǎn)一段時間后，軸系會因載荷作用出現(xiàn)動不對中問題，故應(yīng)適時檢查修正。試運轉(zhuǎn) 按照說明書的要求加注規(guī)定的機(jī)油達(dá)到油標(biāo)刻度線，在正式使用之前，可以利用發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)帶動齒輪箱空載運轉(zhuǎn)。此時，經(jīng)檢查齒輪箱運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無沖擊振動和異常噪音，潤滑情況良好，且各處密封和結(jié)合面無泄漏，才能與機(jī)組一起投入試運轉(zhuǎn)。 加載試驗應(yīng)分階段進(jìn)行，分別以額定載荷的25%、50%、75%、100%加載，每一階段運轉(zhuǎn)以平衡油溫為主，一般不得小于2小時，最高油溫不得超過80C，其不同軸承間的溫差不得高于15C。正常運行監(jiān)控 每次機(jī)組啟動，在齒輪箱運轉(zhuǎn)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(dāng)環(huán)境溫度較低時，例如小于10C，須先接通電熱器加熱機(jī)油，達(dá)到預(yù)定溫度后才投入運行。若油溫高于 設(shè)定溫度，如65C時，機(jī)組控制系統(tǒng)將使?jié)櫥瓦M(jìn)入系統(tǒng)的冷卻管路，經(jīng)冷卻器冷卻降溫后再進(jìn)入齒輪箱。管路中還裝有壓力控制器和油位控制器，以監(jiān)控潤滑油的正常供應(yīng)。如發(fā)生故障。監(jiān)控系統(tǒng)將立即發(fā)出報警信號，使操作者能迅速判定故障并加以排除。 在運行期間，要定期檢查齒輪箱運行狀況，看看運轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)；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(yīng)在首次投入運行500小時后進(jìn)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(nèi)油質(zhì)的變化情況，定期取樣化驗，若油質(zhì)發(fā)生變化，氧化生成物過多并超過一定比例時，就應(yīng)及時更換。 齒輪箱應(yīng)每半年檢修一次，備件應(yīng)按照正規(guī)圖紙制造，更換新備件后的齒輪箱，其齒輪嚙合情況應(yīng)符合技術(shù)條件的規(guī)定，并經(jīng)過試運轉(zhuǎn)與負(fù)荷試驗后再正式使用。 齒輪箱常見故障及預(yù)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。 齒輪損傷 齒輪損傷的影響因素很多，包括選材、設(shè)計計算、加工、熱處理、安裝調(diào)試、潤滑和使用維護(hù)等。常見的齒輪損傷有齒面損傷和輪齒折斷兩類。 輪齒折斷（斷齒） 斷齒常由細(xì)微裂紋逐步擴(kuò)展而成。根據(jù)裂紋擴(kuò)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(jī)斷裂等。 過載折斷總是由于作用在輪齒上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)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(qū)等。斷齒斷口有呈放射狀花樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)，有時斷口處有平整的塑性變形，斷口副常可拼合。仔細(xì)檢查可看到材質(zhì)的缺陷，齒面精度太差，輪齒根部未作精細(xì)處理等。在設(shè)計中應(yīng)采取必要的措施，充分考慮預(yù)防過載因素。安裝時防止箱體變形，防止硬質(zhì)異物進(jìn)入箱體內(nèi)等等。 疲勞折斷發(fā)生的根本原因是輪齒在過高的交變應(yīng)力重復(fù)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(kuò)展，使輪齒剩余截面上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力，造成瞬時折斷。在疲勞折斷的發(fā)源處，是貝狀紋擴(kuò)展的出發(fā)點并向外輻射。產(chǎn)生的原因是設(shè)計載荷估計不足，材料選用不當(dāng)，齒輪精度過低，熱處理裂紋，磨削燒傷，齒根應(yīng)力集中等等。故在設(shè)計時要充分考慮傳動的動載荷譜，優(yōu)選齒輪參數(shù)，正確選用材料和齒輪精度，充分保證加工精度消除應(yīng)力集中集中因素等等。 隨機(jī)斷裂的原因通常是材料缺陷，點蝕、剝落或其他應(yīng)力集中造成的局部應(yīng)力過大，或較大的硬質(zhì)異物落入嚙合區(qū)引起。 齒面疲勞 齒面疲勞是在過大的接觸剪應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)作用下，輪齒表面或其表層下面產(chǎn)生疲勞裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展而造成的齒面損傷，其表現(xiàn)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(xiàn)，并且不斷擴(kuò)展，使齒面嚴(yán)重?fù)p傷，磨損加大，最終導(dǎo)致斷齒失效。正確進(jìn)行齒輪強(qiáng)度設(shè)計，選擇好材質(zhì)，保證熱處理質(zhì)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。