風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱若干技術(shù)問題打印[共20頁]

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1、 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(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，齒輪箱是主動(dòng)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(dòng)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(shí)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

2、脆性等特性，保證齒輪箱平穩(wěn)工作，防止振動(dòng)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(diǎn)，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(yàn)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(gè)單獨(dú)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(gè)大軸軸承承受，齒輪箱受到影響較少，各個(gè)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(diǎn)

3、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(dú)立支撐，末端與齒輪箱連接 如果省去一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)齒輪箱的輸入和輸出軸處于同一側(cè)，齒輪箱設(shè)計(jì)成

4、“ 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(gè)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(dòng)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）

5、。 圖20-6 齒輪箱與機(jī)艙主支架一體化設(shè)計(jì)的布置形式 第二節(jié) 齒輪箱設(shè)計(jì) 作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)關(guān)鍵部件，齒輪箱位于風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間傳遞動(dòng)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(dòng)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(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)簡化并且重量最輕，同時(shí)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(jì)，排定最佳傳動(dòng)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

6、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(jì)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(dòng)或行星與平行軸齒輪組合傳動(dòng)。 圖20－7 一級行星兩級平行軸齒輪傳動(dòng)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20－7 所示，由一級行星齒輪和兩級平行軸齒輪傳動(dòng)組成

7、，是一種典型的傳動(dòng)裝置。齒輪箱利用其前箱蓋上的兩個(gè)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(gè)一組的行星輪將動(dòng)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(dòng)法蘭供安裝系統(tǒng)制動(dòng)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(dòng)軸上還裝有安全保護(hù)裝置。 一、設(shè)計(jì)要求 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。為此要建立

8、整個(gè)機(jī)組的動(dòng)態(tài)仿真模型，對啟動(dòng)、運(yùn)行、空轉(zhuǎn)、停機(jī)、正常啟動(dòng)和緊急制動(dòng)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(dòng)態(tài)功率曲線，利用專用的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析計(jì)算，求出零部件的設(shè)計(jì)載荷，并以此為依據(jù)，對齒輪箱主要零部件作強(qiáng)度計(jì)算。 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)。載荷譜可通過實(shí)測得到，也可以按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(jì)算公式，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)載荷譜分析計(jì)算作了詳盡的講解。這些資料都可用作設(shè)計(jì)計(jì)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

9、m2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速齒輪箱的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)定和標(biāo)志、包裝、運(yùn)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(huì)（AWEA）和美國齒輪協(xié)會(huì)（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(jì)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G

10、B/T 19073-2003， 對于齒輪箱的使用系數(shù)（即動(dòng)載荷放大因子）推薦如下: 給定載荷譜計(jì)算時(shí)，通常先確定等效載荷，齒輪箱使用系數(shù)KA＝1； 無法得到載荷譜時(shí)，則采用經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)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(jì)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(jì)算，對輪齒進(jìn)行極限狀態(tài)分析。 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

11、： 1. 齒形角α（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(shí)也采用大齒形角（如23°、25°、28°等），使輪齒的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大，從而提高承載能力，但會(huì)增大軸承上的負(fù)荷。采用小齒形角（小于20°）時(shí)，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(dòng)載荷，但會(huì)減小輪齒的強(qiáng)度。 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)率，也可以減小齒輪切削量，降低制造成本。

12、但隨之而來的因制造和安裝的質(zhì)量問題會(huì)增大輪齒折斷的危險(xiǎn)性，實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，取 m =（0.015～0.02）a 。 齒輪的基本齒廓應(yīng)符合GB/T1356 的規(guī)定。 a 是齒輪傳動(dòng)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(dòng)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β β角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)；取大值，可增大重合度，使傳動(dòng)平穩(wěn)性提高，但會(huì)引起很大的軸向力，一般取β=8°～15°。人字齒輪可取大一些

13、，例如取β=25°～40°。對于普通圓柱齒輪傳動(dòng)，低速級轉(zhuǎn)速低扭矩大，可采用直齒輪；中間級通常取β=8°～12°； 高速級為減小噪音，可取較大的β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(gè)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(dòng)時(shí)，為了提高傳動(dòng)裝置的承載能力和減小尺寸和重量，往往對稱布置多個(gè)行星輪，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，要考慮以下

14、幾個(gè)條件： 1.傳動(dòng)比條件 所設(shè)計(jì)的行星輪系必須能實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比，各種類型行星輪系的傳動(dòng)比與齒數(shù)的關(guān)系可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查到。 2.鄰接條件 使相鄰兩個(gè)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(gè)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(shí)際中心距必須相等。 4.裝配條件 在行星輪系中，幾個(gè)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(dòng)，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

15、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(jì)算機(jī)程序分析計(jì)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(jì)參數(shù)，除另有規(guī)定外，常常采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，即利用計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算，反復(fù)對比，在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。 二、 效率 齒輪箱的效率可通過功率損失計(jì)算或在試驗(yàn)中實(shí)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(dòng)的效率可按下列公式計(jì)算： η＝η1η2η3η4 式中 η1——齒輪嚙合摩擦損失的效率； η

16、2——軸承摩擦損失的效率； η3——潤滑油飛濺和攪油損失的效率； η4——其他摩擦損失的效率。 對于行星輪系齒輪機(jī)構(gòu)，計(jì)算效率時(shí)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(jì)手冊推薦的公式進(jìn)行計(jì)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(jì)算和理解，故常用此法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。力偏移法有較高的精度，但計(jì)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(dòng)軸承支承且精確制造的閉式圓柱齒輪傳動(dòng)，每一級傳動(dòng)

17、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(dòng)不超過三級。值得指出的是，隨著傳遞載荷的減小，效率會(huì)有所下降，這是因?yàn)檎麄€(gè)齒輪箱的空載損失，即潤滑油飛濺和攪動(dòng)時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)，避免發(fā)生共振。 齒輪箱安裝時(shí)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

18、齒輪箱的機(jī)械振動(dòng)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(jì)極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲勞分析、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?？煽啃苑治龅牟襟E是: 在方案設(shè)計(jì)開始時(shí)進(jìn)行可靠性初步分析，而在施工設(shè)計(jì)完成后再次進(jìn)行詳細(xì)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)和對重要的零部件以及整機(jī)進(jìn)行可靠性估算。 1.概率計(jì)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(jì)

19、算出零件不破壞的概率，即可靠度R： R＝dt 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σb 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(shí)，可取其值為疲勞強(qiáng)度[σ-1 ]的十分之一。 2.運(yùn)用威布爾分布來表達(dá)強(qiáng)度分布的函數(shù)，運(yùn)用伯格—柏爾（G.Lundberg-A.Palmgren）理論計(jì)算出零件可靠度的一定壽命值。 3.運(yùn)用齒輪箱或零件的統(tǒng)計(jì)

20、數(shù)據(jù)來估算壽命值。此方法用于方案設(shè)計(jì)。對于齒輪箱而言，在確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)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(jì)時(shí)應(yīng)采取必要的措施，盡可能降低噪音、振動(dòng)等不利因素對可靠性的影響。例如，在對齒輪作靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，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(diǎn)蝕的靜強(qiáng)度值，通常取齒根抗斷裂安全系數(shù)SF≥1.4，齒面抗點(diǎn)蝕安全系數(shù)SH≥1.0。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

21、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(shí)測載荷譜計(jì)算時(shí)： 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(shí)測載荷譜計(jì)算時(shí) ： 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(dòng)的齒輪強(qiáng)度計(jì)算可采用定軸齒輪傳動(dòng)的計(jì)算公式，因?yàn)槊恳环N行星齒輪傳動(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)（數(shù)個(gè)行星輪）和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)（行星輪既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)）。對于最常用

22、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(dòng)機(jī)構(gòu)），其承載能力主要取決于外嚙合，因而首先要計(jì)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(shí)與幾個(gè)行星齒輪相嚙合，負(fù)載重，變形大，工作條件不好，是傳動(dòng)中的薄弱環(huán)節(jié)，首先出現(xiàn)失效的可能性大，對這一點(diǎn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，在低速重載行星齒輪傳動(dòng)中，內(nèi)齒輪的接觸強(qiáng)度常低于計(jì)算值，所以在對內(nèi)嚙合齒輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)必須考慮這一因素。行星輪在運(yùn)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

23、出的是斷齒在行星齒輪傳動(dòng)中破壞性極大。當(dāng)有一個(gè)輪齒先折斷，碎塊落在內(nèi)齒輪上，行星輪經(jīng)過時(shí)會(huì)使傳動(dòng)卡死，或使所有齒輪甚至軸和箱體全部損壞。因此設(shè)計(jì)時(shí)提高齒輪強(qiáng)度和整個(gè)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(jì)上采取措施，使傳動(dòng)裝置各構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，相互能夠自動(dòng)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(dòng)，亦即某些構(gòu)件設(shè)計(jì)成允許作徑向及偏轉(zhuǎn)位移，當(dāng)受載不均衡時(shí)可自動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)在受力不均勻時(shí)產(chǎn)生位移，基本構(gòu)件

24、中的一個(gè)或兩個(gè)浮動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)均載。也有采用彈性元件或杠桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)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(dòng)時(shí)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(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、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

25、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)，可以獲得與實(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，易于切削加工等特點(diǎn)， 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(jì)鑄造箱體時(shí)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?yàn)檩p合金鑄件的彈性模量較小，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

26、都要加大。 單件、小批生產(chǎn)時(shí)，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(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)的校核計(jì)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

27、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(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。對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動(dòng)力的作用而要求極為嚴(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(shí)，由于齒輪與軸之間的連接所限

28、，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(jì)要求。 齒輪精度 齒輪箱內(nèi)用作主傳動(dòng)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

29、精度時(shí)要綜合考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際需要，優(yōu)秀的傳動(dòng)質(zhì)量是靠傳動(dòng)裝置各個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)要用齒形帶觸角的留磨量滾刀滾齒，從而在磨齒時(shí)不會(huì)磨去齒根部分。磨齒時(shí)選擇合適的砂輪和

30、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(yàn)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(shí)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(jì)計(jì)算時(shí)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(shí)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

31、基準(zhǔn)面——磨齒——檢驗(yàn)——清洗——入庫。 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(shí)，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(gè)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(dòng)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(diǎn)、使用要求和

32、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(shí)按1.5個(gè)鍵計(jì)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(shí)齒間的徑向力能起到自動(dòng)定心作用，使各個(gè)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)

33、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1：30～1：8）。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(dòng)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(shí)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

34、盈聯(lián)接公式計(jì)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Ra0.8～Ra0.2。聯(lián)接表面的壓力可按厚壁圓筒的有關(guān)公式計(jì)算。 軸 齒輪箱中的軸按其主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)系可分為主動(dòng)軸、從動(dòng)軸和中間軸。首級主動(dòng)軸和末級從動(dòng)軸的外伸部分，與風(fēng)輪輪轂、中間軸或電機(jī)傳動(dòng)軸相聯(lián)接。為了提高可靠性和減小外形尺寸，有時(shí)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(jì)算： d=A 式中 A——與材料有關(guān)的系數(shù)，A=105 ～115，材料較好時(shí)取較小值； P——軸傳遞的功率，kW； n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

35、 d按計(jì)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(jì)成階梯軸。中間軸直徑則按彎矩和扭矩的合成進(jìn)行計(jì)算。在軸的設(shè)計(jì)圖完成后再進(jìn)行精確的分析計(jì)算,最終完善細(xì)部結(jié)構(gòu). 由于是增速傳動(dòng)，較大的傳動(dòng)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(shí)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(gè)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(tái)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

36、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(dòng)，可利用止動(dòng)墊圈、雙螺帽墊圈、鎖止螺釘或串聯(lián)鐵絲等。有時(shí)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(dòng)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(shí)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

37、較高的韌性。 滾動(dòng)軸承 齒輪箱的支承中，大量應(yīng)用滾動(dòng)軸承，其特點(diǎn)是靜摩擦力矩和動(dòng)摩擦力矩都很小，即使載荷和速度在很寬范圍內(nèi)變化時(shí)也如此。滾動(dòng)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(shí)，軸承的承載能力和壽命急劇下降，高速工作時(shí)的噪音和振動(dòng)比較大。齒輪傳動(dòng)時(shí)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(huì)降低傳動(dòng)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(shí)，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

38、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(jì)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(jì)算時(shí)，需計(jì)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(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)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(shí)，其平均當(dāng)量負(fù)荷按下式計(jì)算： Pm= 式中： P--平均當(dāng)量動(dòng)載荷； P—作用于軸承上的當(dāng)量動(dòng)載荷； N—總的循環(huán)次數(shù)； ε—壽命指數(shù)。對于球軸承ε=3，滾動(dòng)軸承ε=10/3。計(jì)算的使用壽命應(yīng)不小于13萬小時(shí)。 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在安裝、潤滑、

39、維護(hù)都正常的情況下，軸承由于套圈與滾動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中，裂紋逐步增大，材料剝落，產(chǎn)生麻點(diǎn)，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(dòng)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(jì)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(shí)踐中主要憑借軸承支承工作性能的異常來辨別。運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和噪聲異常，往往是軸承滾動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支承有沉重感，不靈便，摩擦力大，一般是由于滾道損

40、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(yùn)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(dòng)測量裝置檢測箱體的軸承部位，以便及時(shí)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(dòng)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

41、配。雙排球面滾子在具有三個(gè)固定擋邊的內(nèi)圈滾道上滾動(dòng)，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(dòng)時(shí)，則由內(nèi)圈的兩個(gè)外擋邊保持滾子。每排滾子均有一個(gè)黃銅實(shí)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(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生磨損，使用時(shí)間長。 軸與端蓋孔間的間隙形成

42、的密封，是一種簡單密封。間隙大小取決于軸的徑向跳動(dòng)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2～4個(gè)，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(dòng)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)選取（見標(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=0.2～0.63µm。與密封圈

43、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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中不會(huì)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

44、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(dòng)；3）防止疲勞點(diǎn)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(dòng)類型，其主要的失效形式是膠合與點(diǎn)蝕，故在選擇潤滑油時(shí)，重點(diǎn)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(dòng)中承受高壓和高溫，在滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦的作用下，因潤滑不足，很可能會(huì)在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)的初期，例如一年左右，105～106應(yīng)力循環(huán)作用時(shí)，出現(xiàn)一些直徑10毫米左右的麻點(diǎn)，我們稱之為“微點(diǎn)蝕”現(xiàn)象，進(jìn)而使

45、噪音增大，引起毀壞性的點(diǎn)蝕和齒面剝落損壞。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)齒輪傳動(dòng)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(yàn)，負(fù)載分12個(gè)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(shí)間后性能將會(huì)降低。FLENDER公司的單級微點(diǎn)蝕試驗(yàn)則更為嚴(yán)格，要求評估經(jīng)100小時(shí)和400小時(shí)加載試驗(yàn)后齒面上的微點(diǎn)蝕和齒形變化情況。高品質(zhì)的潤滑油在整個(gè)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(gè)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?/p>

46、些添加劑可以提高潤滑性能和減少氧化，但添加劑有一些副作用，在選擇時(shí)必須慎重。齒輪箱制造廠一般根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)研究推薦各種不同的潤滑油，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(diǎn)是：在極低溫度狀況下具有較好的流動(dòng)性；在高溫時(shí)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(huì)出現(xiàn)遇高溫會(huì)分解而在低溫時(shí)易

47、于凝結(jié)的情況。 為解決低溫下啟動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)，利用油加熱器加熱油液至攝氏10度以上再啟動(dòng)機(jī)組，以避免因油的流動(dòng)性不良而造成潤滑失效，損壞齒輪和傳動(dòng)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(shí)通過電控旁路閥自動(dòng)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(shí)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

48、 & Stolterfoht）和比利時(shí)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(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)結(jié)構(gòu)，配合撿測溫度和振動(dòng)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(dòng)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(tái)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

49、 kg 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) SZAK 1225-1425 SDAK 1420-1550 SDNK 1400-1695 50-750 50-30 600-1,450 2－3級平行軸式斜齒圓柱齒輪傳動(dòng) PEAK 4224-4375 PENK 4224-4375 PEAC 4280-4455 PEAL 4280-4375 PEAS 4280-4455 300-2,800 30-16 2,800-26,000 1級行星和2級平行軸斜齒輪傳動(dòng) PZAB 3415-3680

50、 2,300-5,000 18-12 18,000-60,000 2級行星和1級平行軸斜齒輪傳動(dòng) 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(tái)。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(dòng)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(dòng)比 重量 kg GPC 21

51、0 GPV 300 GPV 306 GPV 400 GPV 401 GPV 420 GPV 441 GPV 451 GPW 545 300 660 850 1,650 1,750 1,500 2,000 1,500 3,100 86 215 350 865 865 910 1,260 790 1,55 34:1 53:1 62:1 79:1 79:1 70/87:1 92-120:1 73-98:1 73:1 2,080 3,850 4,500 11,500 11,500 13,800 14,500 13,9

52、00 42,000 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(jì)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(diǎn)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)，運(yùn)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

53、公司風(fēng)力發(fā)電齒輪箱主要產(chǎn)品參數(shù) 型號 傳動(dòng)方式 額定功率 kW 增速比 輸入轉(zhuǎn)速 r/min 重量 kg FL600 一級行星+ 兩級平行軸 645 56.5 26.85 9700 FLA750 一級行星+ 兩級平行軸 825 69.86 21.73 4500 FLA800 一級行星+ 一級平行軸 880 68.25 22.27 5900 FLA1000 一級行星+ 兩級平行軸 1100 53.38 18.733 12500 FL1300 一級行星+ 兩級平行軸 1390

54、 78.62 19.27 16000 FLA1300 一級行星+ 兩級平行軸 1397.5 79 19 16000 FL1500 一級行星+ 兩級平行軸 1500 67 14.92 17000 FL2000 一級行星＋ 兩級平行軸 2200 66.6 17 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(dòng)方式 額定功率 kW 增速比 輸入轉(zhuǎn)速 r/min 重量 kg FZ100 兩級平行軸 135 23.989 42.2 100

55、0 FZ200 兩級平行軸 240 22.33 45 1600 FZ250 兩級平行軸 280 23.4 43 1900 FZ250LX 兩級行星 275 38.2 39.26 1500 FZ600B 一級行星+ 兩級平行軸 645 56.6 26.8 9000 FZ646 兩級行星 645 45.529 33.5 4000 FZ800 一級行星+ 兩級平行軸 880 67.4 22.25 6000 FZ1300 一級行星+ 兩級平行軸 1390 78.628 19.27 1100

56、0 FZ1500 一級行星+ 兩級平行軸 1610 67 19 13000 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(dòng)方式 額定功率 kW 增速比 輸入轉(zhuǎn)速 r/min 重量 kg FD200 兩級平行軸 200 36.12 42 1820 FD250 兩級平行軸 250 23.68 43 1950 FD300 兩級平行軸 300 44.66 34 4650 FD600W 兩級行星 600 45.03 33.5 3200 FD645 一級行星+

57、兩級平行軸 645 55.7 27.2 4100 FD645J 一級行星+ 兩級平行軸 645 56.51 26.8 9600 FD660 一級行星+ 兩級平行軸 660 52.62 28.5 4250 FD660M 三級平行軸 功率雙分流 660 59.54 25.5 7600 FD825A 一級行星+ 兩級平行軸 825 67.4 22.3 4500 FD825B 一級行星+ 一級平行軸 825 69.94 21.73 5900 FD1390 一級行星+ 兩級

58、平行軸 1390 78.72 19.27 1100 FD1500 一級行星+ 兩級平行軸 1500 67.06 19 12000 FD1660 一級行星+ 兩級平行軸 1660 72/78 20 1300 FD2250 一級行星+ 兩級平行軸 2250 98.9 17.5 20000 FD2750 一級行星+ 兩級平行軸 2750 100 15 24000 圖20－8 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(dòng)一組行星輪將動(dòng)力傳至平行軸齒輪，再

59、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(dòng)齒輪箱 圖20.9為兩級行星和一級圓柱齒輪傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)力分流輸出。有兩個(gè)取力裝置，其中一個(gè)通過高彈性聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，另一個(gè)則作為他種用途的驅(qū)動(dòng)裝置。兩個(gè)行星齒輪傳動(dòng)裝置的太陽輪均通過齒形聯(lián)軸節(jié)將動(dòng)力傳至下一級。 圖20-9兩級行星和一級圓柱齒輪分流傳動(dòng)齒輪箱 圖20-10所

60、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(dòng)。由于行星架固定，內(nèi)齒圈變成主動(dòng)輪，通過兩排齒輪分流和合流傳動(dòng)至末級高速軸。從結(jié)構(gòu)上看，這種布置使得各個(gè)組件可獨(dú)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(dòng)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20－11 所示的1.6MW風(fēng)力發(fā)

61、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(dòng)軸上都設(shè)置了必要的潤滑油路，保證了各個(gè)潤滑點(diǎn)油的供應(yīng)量，維持了系統(tǒng)的熱平衡。圖20－12 是該齒輪箱的外形尺寸圖。 圖20－11 齒輪箱潤滑油路設(shè)置 圖20－12 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(dòng)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(shí)，應(yīng)采用合適的聯(lián)軸器，最好是彈

62、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(dòng)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(yàn)，齒面接觸斑點(diǎn)應(yīng)達(dá)到技術(shù)條件的要求。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，軸系會(huì)因載荷作用出現(xiàn)動(dòng)不對中問題，故應(yīng)適時(shí)檢查修正。 試運(yùn)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪箱空載運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，經(jīng)檢查齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無沖擊振動(dòng)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

63、入試運(yùn)轉(zhuǎn)。 加載試驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)以平衡油溫為主，一般不得小于2小時(shí)，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。 正常運(yùn)行監(jiān)控 每次機(jī)組啟動(dòng)，在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)前先啟動(dòng)潤滑油泵，待各個(gè)潤滑點(diǎn)都得到潤滑后，間隔一段時(shí)間方可啟動(dòng)齒輪箱。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，例如小于10゜C，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(yùn)行。若油溫高于 設(shè)定溫度，如65゜C時(shí)，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)

64、控系統(tǒng)將立即發(fā)出報(bào)警信號，使操作者能迅速判定故障并加以排除。 在運(yùn)行期間，要定期檢查齒輪箱運(yùn)行狀況，看看運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)；有無振動(dòng)或異常噪音；各處連接和管路有無滲漏，接頭有無松動(dòng)；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(yùn)行500小時(shí)后進(jìn)行，以后的換油周期為每運(yùn)行5，000-10，000小時(shí)。在運(yùn)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(yàn)，若油質(zhì)發(fā)生變化，氧化生成物過多并超過一定比例時(shí)，就應(yīng)及時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)與負(fù)荷試驗(yàn)后再正式使用。 齒

65、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(jì)計(jì)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(shí)斷口處有平

66、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(jì)中應(yīng)采取必要的措施，充分考慮預(yù)防過載因素。安裝時(shí)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(xiǎn)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(shí)折斷。在疲勞折斷的發(fā)源處，是貝狀紋擴(kuò)展的出發(fā)點(diǎn)并向外輻射。產(chǎn)生的原因是設(shè)計(jì)載荷估計(jì)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(jì)時(shí)要充分考慮傳動(dòng)的動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕、齒面剝落、和表面壓碎等。特別是破壞性點(diǎn)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(jì)，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。