1、风电齿轮箱的结构设计与分析摘 要：风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣,风电齿轮箱作为风电机组的核心部件,倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。本文主要是对风电齿轮箱设计方面的内容做了深入分析，以供同仁参考！ 关键词:风电齿轮箱；结构设计；分析 中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 随着能源短缺和生态环境的日益恶化, 新能源发电技术在世界范围内取得了长足的进步。风能是一种清洁的可再生能源, 随着风力发电技术的日趋成熟和成本的逐渐降低, 风电装备产业高速发展且前景广阔。为了进一步改善风电机组的性能、提高单机容量, 世界各国都对风电机组进行了大量的研究和开发工作, 一些
2、国家的技术已经相当成熟。我国风电技术研究起步较晚, 近年来取得了显著的成效, 但总体设计制造水平与国际先进水平还有很大差距。齿轮箱是风电机组中技术含量最高的部件之一，对风电齿轮箱技术进行深入研究, 开发适合我国具体情况的风电齿轮箱并实现产业化对提高风电装备的可靠性、降低风电成本有着重要的意义。 一、风电齿轮箱主要结构形式 由于风电机组叶片叶尖线速度不能过高, 因此, 齿轮箱的额定输入转速随着单机容量的增大而逐渐降低。兆瓦级以上风电机组的额定输入转速一般不超过 20r/ min, 发电机的额定转速一般为 1500 r/ min 或1800r/ min, 因此大型风电齿轮箱的增速比一般在 7510
3、0 范围内。风电齿轮箱的结构形式多种多样。小容量风电齿轮箱多采用平行轴斜齿轮传动结构, 500kW 1000kW 风电齿轮箱常见结构有 2 级平行轴+ 1 级行星和 1 级平行轴+ 2 级行星传动两种结构形式, 兆瓦级以上的风电齿轮箱多采用 2 级平行轴+ 1 级行星传动的结构。由于行星传动结构相对复杂, 而且大型内齿圈加工难度较大, 成本较高, 即使采用 2 级行星传动的结构, 也以 NW 型传动最为常见。 二、风电齿轮箱设计制造方面存在的主要问题 (1) 基础载荷数据及载荷处理方法方面的问题 风电齿轮箱工作环境恶劣, 所承受的载荷情况非常复杂, 因此符合实际的载荷数据及其处理方法是风电齿轮
4、箱设计计算的基础。我国不但缺少复杂载荷数据, 而且处理方法也不够成熟, 对风电机组在工作过程中经常出现的制动载荷、极限载荷等载荷情况的处理还是根据经验进行估算。此外, 在变载荷处理过程中运用的线性积累损伤理论也并不能真实反映实际破坏情况。因此, 设计计算的基础有问题, 也就无法得到合理的设计结果。 (2) 齿伦早期点蚀问题 在频繁受到风载变化冲击的情况下, 齿轮的微动磨损超过一般设计的预期, 从而造成齿轮早期点蚀。防止齿轮早期点蚀的关键在于轮齿修形。在确定修形参数时, 需要获得准确的载荷来计算齿轮偏载, 再根据偏载情况进行修形, 而且需要考虑载荷波动, 要尽可能保证齿轮在各种工况载荷及其组合的
5、作用下都具有良好的接触区。 (3) 轴承早期损坏 目前国内风电齿轮箱大部分采用进口轴承, 主要的国外厂商有瑞典SKF、德国 FAG 等公司。国内兆瓦以上设备所用的轴承仍处于研发阶段, 以洛轴、瓦轴等为代表的一些企业, 纷纷加大研发力度。其中, 洛轴是国内最早研制、生产风电轴承的企业, 在国内首家成功开发出 1.5MW 风电轴承。统计数据表明, 早期风电齿轮箱故障大多是由轴承引起的。随着技术的成熟,目前轴承引起的故障明显降低, 但仍有约 50%的故障由轴承损坏造成。轴承损坏的主要原因是系统的受力变形导致轴承内外圈不再平行, 滚子局部接触应力过大。因此, 精确的轴承寿命计算方法对风电齿轮箱轴承的设
6、计、选择非常重要。 (4) 大型斜齿内齿圈制造 目前, 国外风电齿轮箱大多采用渗碳淬火磨齿的斜齿内齿圈, 以提高齿轮的强度、传动平稳性和可靠性, 减小尺寸和重量。国内因制造技术和制造设备方面的限制, 内齿圈通常采用直齿+ 氮化工艺或直齿+渗碳淬火+ 磨齿工艺, 致使齿轮箱的传动平稳性、可靠性等指标均低于国外产品的相应指标。 (5) 密封问题 风电齿轮箱密封不良会导致漏油甚至外部灰尘等进入箱体内污染润滑油, 从而影响风电齿轮箱的正常工作和可靠性。解决密封问题仍是国产风电齿轮箱的一个难点。只有积极研发新的技术，引起国外先进技术，不断探讨和摸索，才能有效的使此问题得到更好的解决。 三、大型风电齿轮箱
7、设计的基本要求 由于维修不便、维修成本高, 通常要求齿轮箱的设计寿命为 20 年, 对可靠性的要求也极为苛刻。大型风电齿轮箱均采用行星传动, 是典型的低速、重载、变转矩和增速传动。在齿轮箱的故障率中行星传动的故障率约占 40% , 是风电齿轮箱中最容易出故障的一级传动。风电增速齿轮箱通过行星架输入风轮叶片传来的转矩,由于行星架结构复杂, 承受力矩最大, 质量和尺寸也较大, 所以它的变形对行星级的内外啮合齿轮传动的质量和可靠性有很大影响。因此, 要求行星架要有足够的强度、刚度和较小的尺寸、质量。传统设计中, 行星架主要依靠经验类比或简化模型设计, 盲目性大, 强度和变形等情况无法准确把握, 影响
8、了设计的可靠性, 更谈不上追求理想的质量和尺寸。我们可通过对大型复杂行星架应力场、位移场的计算分析和结构优化, 寻求一种质量轻、变形小的行星架结构, 这对大型风电齿轮箱的可靠性和轻量化设计具有十分重要的意义。 四、结论 风力发电齿轮箱运行环境特殊而恶劣, 可靠性要求高, 一旦出现故障, 维修十分困难且成本很高, 而且故障一般出现在发电的高峰期, 将严重影响到风场的经济效益。因此, 最大限度地降低行星架受载变形, 提高行星级齿轮传动的强度和稳定性对提高整个机组的可靠性有极其深远的意义。随着风力发电机组向着大型化方向发展, 行星架的尺寸也会越来越大。高强度、变形小、质量轻的行星架设计分析技术的重要性将会更加明显。 参考文献： 【1】刘忠明, 段守敏, 王长路. 风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望J . 机械传动, 2006,30(6):1-6. 【2】GLOBAL WIND 2007 REPORT R , Global Wind Energy Council, 2008: 6. 【3】张文忠.NTK300/31 风电机齿轮箱的故障分析与预防J. 内蒙古电力技术, 2001(5): 46-47. （王清霞，1984 年生，本科，助理工程师）
