3MW风机主轴齿轮箱

第四章:风轮轴与齿轮箱

4.1 技术要求及典型结构

齿轮箱是非直驱式水平轴风力发电机组必不可少的部件。我们一般使用齿轮箱都是为了减速加力，而风力发电机上的齿轮箱是用于增速，以满足发电机对转速的要求。风力发电机齿轮箱和风轮轴要承受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，为了增加机组的制动能力，还要在齿轮箱的输入端或输出端或上设置刹车装置，配合空气动力制动对机组传动系统进行联合制动，其工作状态十分恶劣。加之机组多安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，所处环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。大量的实践表明，在风力发电机组的传动链中齿轮箱是最薄弱的环节，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要由于并网型风电机组起停较为频繁，叶轮本身转动惯量又很大，组风电机组的风轮转速一般都设计在几十转/分，机组容量越大，叶轮直径越长，转速相对就越低，为满足发电机的转速工作条件，在风轮和发电机之间就需要配置齿轮箱增速。由于机舱尺寸的限制，风电机组的机械传动系统一般都沿机舱轴线布置，齿轮箱采用结构紧凑的行星齿轮箱。随着大型风电机组采用的齿轮箱传递扭矩增大，结构更加紧凑、复杂，对风电机组设计和制造人员的要求也不断提高。

尽管风力发电机有很多国际和国家标准，但都是风力发电机的性能、质量标准。目前风力发电机的结构设计百花齐放、各显神通，对风力发电机结构的标准化会妨碍技术进步。由于风轮轴和齿轮箱在结构上是相互影响的，而传动链的不同方案直接决定了齿轮箱和风轮轴结构。风轮轴与齿轮箱轴是直接连接的部件，受力和工作状态基本相同，使用的材料和加工工艺也基本相同，所以把它们放在一起讲解。

一、齿轮箱和风轮轴的技术要求

齿轮箱和风轮轴作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷

部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的

外部工作条件。在如此复杂工况下工作的齿轮箱和风轮轴,在方案设计之初必须进行可靠

性分析，而设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的

结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。

设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料。具体要求如下：（一）、齿轮箱应在下列条件内正常工作：

1.环境温度为－40～50℃，当环境温度低于0℃时应加注防冻型润滑油；

2、负荷是变化的或稳定的、连续运转的或间断运转的；

3、适用于单向或可逆向运转；

4、高速轴最高转速不得超过2000r/min；

5、外啮合渐开线圆柱齿轮的圆周速度不超过20m/s，内啮合渐开线圆柱齿轮的圆周速度不超过15m/s；

6、工作环境应为无腐蚀的。

（二）、设计技术要求

1、齿轮箱的使用寿命不得低于20年。按照假定寿命最少20年的要求，对齿轮箱部件及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。

2、齿轮箱的机械效率应大于97％,是指在标准条件下应达到的指标。齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。

3、齿轮箱的噪声应不大于85dB(A)。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：

①. 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；

②. 提高轴和轴承的刚度；

③. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；

④. 安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C 级之内。

4、齿轮箱最高工作温度不得高于80℃；最低工作温度不得于低10℃；其不同轴承间的温度差不应高于15℃；必要时增设加热装置或冷却装置。

5、齿轮箱在工作转速范围内，传动轮系、轴系应不发生共振。齿轮箱的机械振动应符合GB/T8543规定的C级。

6、齿轮箱应具有良好的密封性，不应有渗、漏油现象，并能避免水分、尘埃及其它杂质进入箱体内部。齿轮箱的清洁度应符合JB/T7929的规定。

7、除非有特殊要求，一般情况下齿轮箱低速轴旋向应符合下列要求：面对低速轴输入端看，低速轴的旋向为右旋，即顺时针方向。

8、机械加工以后的全部外露表面应涂防护漆，涂层应薄厚均匀，表面平整、光滑、颜色均匀一致。对油漆的防腐要求和颜色由供需双方在技术协议中规定。

9、齿轮箱上应设有相应的观察窗口盖、油标(必要时应设油位报警装置)、油压表（必要时应设油压报警装置）、空气滤清器、透气塞、带磁性垫的放油螺塞（放油阀）以及起重用吊钩等。

10、齿轮箱应允许承受发电机短时间1.5倍额定功率的负荷。

二、齿轮箱的科研样机试验

（一）、齿轮箱实验项目、内容与要求

齿轮箱是风力发电机中故障率最高的部件，究其原因在于风力载荷的不稳定性，使理论设计仍有待完善。到目前为止科研样机的试验，仍是完善理论设计的主要手段。齿轮箱的样机试验与型式试验要求完全相同，实验项目、内容与要求见表4.1.1

表4.1.1 齿轮箱实验项目、内容与要求

项目名称实验项目说明序号试验内容与要求

空载试验

在额定转速下,正反两方向运转不少于1h的要求

①连接件、紧固件不松动

②密封处、接合处不漏油

③运转平稳，无冲击

④润滑充分。检查轴承和油池温度。每5min纪录一次

油压、油温

载荷性能试验

空载试验合格后，在额定转速下进行逐级加载试验。

按规定25％、50％、75％的额定负载各运转30min。按

100％额定负载运转120min，110％超负载运转30min，

要求：

可根据制造厂试验

条件确定加载要求

⑤在正常运转情况下，每隔10min测定并记录一次转速、

负载（扭矩）、油温、油压及各轴承挡外壳温度

每级负载均需达到

热平衡。

⑥

在额定转速和100％额定负载下，测定齿轮箱的噪声、

振动

可根据制造厂试验

条件，在台位最大负

荷下进行

⑦齿面接触斑点、齿轮齿面状况检查齿面损坏情况

空载功率损耗测定⑧在额定转速，油温稳定在45～65℃，空载工况下测定

齿轮箱功率损耗

齿面接触在额定负荷下高速齿轮的应力循环数：调质齿轮、淬火允许用工业应用试验