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节 概述
风力发机电组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所发生的动力传递给发机电并使其获得响应的转速。凡是风轮的转速很低，远达不到发机电发电所要求的转速，必需经由过程齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。凭据机组的整体安插要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称年夜轴）与齿轮箱合为一体，也有将年夜轴与齿轮箱划分安插，其间哄骗涨紧套装配或联轴节毗连的结构。为了增加机组的制动能力，经常在齿轮箱的输进端或输出端设置刹车装配，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装配配合对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒原、海滩、海岛等风口处，受无纪律的变向变负荷的风力作用和强阵风的冲击，常年承受盛暑严冷和极端温差的影响，加上所处自然情况交通未便，齿轮箱安装在塔顶的狭窄空间内，一旦泛起故障，修复很是坚苦，故对其靠得住性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除常规状态下机械性能外，还应当具有低温状态下抗冷脆性等特征；应保证齿轮箱平稳工作，避免振动和冲击；保证充实的润滑条件，等等。对冬夏温差庞大的地域，要设置装备摆设合适的加热和冷却装配。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行远控。
分歧形式的风力发机电组有纷歧样的要求，齿轮箱的安插形式和结构也是以而异。在风电界水平轴风力发机电组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为常见。
如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状态的泛起，皆可能致使风机电组发生故障，而狭窄的机舱不成能像在地面那样具有巩固的机座根蒂根基，整个传动系的动力匹配和改变振动的身分总是集中反映在某个亏弱环节上，年夜的实践证实，这个环节经常是机组中的齿轮箱。是以，增强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护调养的工作显得尤其重要。 第二节 设计要求 设计必需保证在知足靠得住性和预期寿命的条件下，使结构简化而且重轻。凡是应采用CAD化设计，排定好传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定靠得住的构件和具有秀力学特征和在情况极端温差下依然连结稳定的材料，等等。
1、 设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行时代同时承受动、静载荷。其动载荷部门取决于风轮、发机电的特征和传动轴、联轴器的、刚度、阻尼值和发机电的外部工作条件。
风力发机电组载荷谱是齿轮箱设计计较的根蒂根基。载荷谱可经由过程实测获得，也能够依照JB/T10300尺度计较肯定。当依照实测载荷谱计较时，齿轮箱使用系数KA＝1。当没法获得载荷谱时，对于三叶片风力发机电组取KA=1.3。
2、设计要求
风力发机电组增速箱的设计参数，除还有划定外，经常采用化设计的方式，即哄骗计较机的分析计较，在知足各类限制条件下求得设计方案。
（一） 效率
齿轮箱的效率可经由过程功率损失计较或在实验中实测获得。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承磨擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在分歧工况下是纷歧致的。
风力发电齿轮箱的尺度要求齿轮箱的机械效率应年夜于97%，是指在尺度条件下应到达的指标。
（二） 噪声级
风力发电增速箱的噪声尺度为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应接纳响应下降噪声的措施：
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. 合理安插轴系和轮系传动，避免发生共振；
4. 安装时接纳需要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543划定的C级之内。
（三） 靠得住性
依照假定寿命少20年的要求，视载荷谱所列载荷散布情况进行委靡分析，对齿轮箱整机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、委靡分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方式除一般推荐的设计计较方式外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件实验的方式。
在方案设计之初必需进行靠得住性分析，而在施工设计完成后再次进行具体的靠得住性分析计较，其中包括精心拔取靠得住性好的结构和对重要的零部件和整机进行靠得住性估算。 第三节 齿轮箱的机关 1、齿轮箱的类型与特点
风力发机电组齿轮箱的种类很多，依照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱和它们相互组合起来的齿轮箱；依照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；依照转动的安插形式又可分为展开式、分流式和同轴式和夹杂式等等。
2、齿轮箱图例
第四节 齿轮箱的主要零部件 箱体结构
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时发生的反力，必需具有足够的刚性往承受力和力矩的作用，避免变形，保证传动。箱体的设计应依照风机电组动力传动的结构放置、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。应注重轴承支承和机座支承的分歧标的目的的反力及其相对值，拔取合适的支承结构和壁厚，增设需要的增强筋。筋的位置须与引发箱体变形的作用力的标的目的相一致。
箱体的应力情况十分复杂且散布不匀，只有采用现代计较方式，若有限元、断裂力学等方式辅以摸拟现实工况的光弹实验，才能较为准确地计较出应力散布的状态。哄骗计较机辅助设计，可以获得与现实应力十分接近的成效。
采用铸铁箱体可阐扬其减振性，易于切削加工等特点， 适于批生产。经常使用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可以使其重较铸铁轻20%~30%， 但从另外一角度斟酌，轻合金铸造箱体，下降重的效果其实不显著。这是由于轻合金铸件的弹性摸较小，为了提高刚性，设计时常须加年夜箱体受力部门的横截面积，在轴承座处加装钢制轴承座套，响应部位的尺寸和重都要加年夜。今朝除较小的风机电组尚用铝合金箱体外，年夜型风力发电齿轮箱运用轻铝合金铸件箱体已不多见。
单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相连系的箱体。为减小机械加工进程和使用中的变形，避免泛起裂纹，不管是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处置，以消除内应力。
为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。
箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，其支承刚度要作仔细的核算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，合理使用也能取得较好的成效。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在响应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。 齿轮和轴的结构
风力发机电组运转情况很是恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除要知足机械强度条件外，还应知足极端温差条件下所具有的材料特征，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严酷的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在铸造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的毗连所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮、轴一般都采用合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。内齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。采用铸造方式制取毛坯，可获得秀的铸造组织纤维和响应的力学特征。合理的预热处置和中心和终热处置工艺，保证了材料的综合机械性能到达设计要求。
齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。凡是采用终热处置的方式是渗碳淬火，齿概况硬度到达HRC60+/-2，具有秀的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度，而凡是对齿部的终加工是采用磨齿工艺。
加工人字齿的时辰，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽；如是拼装人字齿轮，则划分将两半齿轮按普通圆柱齿轮加工，后用工装将两者准确对齿，再经由过程过盈配合套装在轴上。
齿轮加工中，划定好加工的工艺基准很是重要。轴齿轮加工时，经常使用顶紧两轴端中心孔安装在机床上。圆柱齿轮则哄骗其内孔和一个端面作为工艺基准，用夹具或经由过程校准在机床上定位。
在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比年夜齿轮略年夜一些，这主要是为了抵偿轴向尺寸变更和便于安装。为减小轴偏斜和传动中弹性变形引发载荷不平均的影响，应在齿形加工时对轮齿作修形处置。
齿轮与轴的联接
平键联接 经常使用于具有过盈配合的齿轮或联轴器与轴的联接。
花键联接 凡是这类联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需用用刀具加工。
过盈配合联接 过盈配合联接能使轴和齿轮（或联轴节）具有好的对中性，出格是在经常泛起冲击载荷情况下，这类联接能靠得住地工作，在风力发电齿轮箱中获得普遍的运用。哄骗零件间的过盈配合形成的联接，其配合概况为圆柱面或圆锥面（锥度可取1：30~1：8）。圆锥面过盈联接多用于载荷较年夜，需屡次装拆的场所。
胀紧套联接 哄骗轴、孔与锥形弹性套之间接触面上发生的磨擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆利便，承载能力高，能沿周向和轴向调理轴与轮毂的相对位置，且具有平安庇护作用。国家尺度GB5867-86对其所推荐的四种胀紧套的结构形式和基本尺寸作了具体的划定。
齿轮箱中的轴按其自动和被动关系可分为自动轴、从动轴和中心轴。首领自动轴和末级从动轴的外伸部门用于安装半联轴器，与风轮轮毂或机电传动轴相连。为了提高靠得住性和减小外形尺寸，有时将半联轴器（法兰）与轴制成一体。
轴上各个配合部门的轴颈需要进行磨削加工。为了削减应力集中，对轴上台肩处的过渡圆角、花键向较年夜轴径过渡部门，均应作需要的处置，例如抛光，以提高轴的委靡强度。在过盈配合处，为削减轮毂边缘的应力集中，压合处的轴径应比相邻部门轴径加年夜5%，或在轮毂上开出卸荷槽。装在轴上的零件，轴向固定应靠得住，工作载荷应尽用轴上的止推轴肩来承受，相反标的目的的固定章可哄骗螺帽或其他紧固件。为避免螺纹松动，可哄骗止动垫圈、双螺帽垫圈、锁止螺钉或串联铁丝等。有时为了节省空间，简化结构，也能够用弹簧挡圈取代螺帽和止动垫圈，但不能用于轴向负荷过年夜的地方。
轴的材料采用碳纲和合金纲。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等，经常使用的热处置方式为进行调，而在重要部位作淬火处置。要求较高时可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi 等低碳合金纲，进行渗碳淬火处置，获取较高的概况硬度和心部较高的韧性。
转动轴承
齿轮箱的支承中，年夜运用转动轴承，其特点是静磨擦力矩和动磨擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽范围内变化时也如斯。转动轴承的安装和使用都很利便，可是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下件下降，高速工作时的噪音和振动比力年夜。齿轮传动时轴和轴承的变形会引发齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷散布不平均，会下降传动件的承载能力。由于载荷不平均性而使轮齿经常发生断齿的现象，在许多情况下又是由于轴承的和其他身分，如剧烈的过载而引发的。选用轴承时，不仅要凭据载荷的性，还应凭据部件的结构要求来肯定。相关技术尺度，如DIN281，或轴承制造商的的样本，都有整套的计较法式和方式可供参考。
计较的使用寿命应不小于13万小时。在安装、润滑、维护都正常的情况下，轴承运转进程中，由于套圈与转动体的接触概况承受交变负荷的频频作用而发生委靡剥落。委靡剥落若发生在寿命刻日之外，则属于转动轴承的正常损坏。是以，一般所说的轴承寿命指的是轴承的委靡寿命。一批轴承的委靡寿命总是涣散的，但总是从命一定的统计纪律，因而轴承寿命总是与损坏几率或靠得住性相联系。 第五节 齿轮箱的使用及其维护 在风力发机电组中，齿轮箱是重要的部件，必需准确使用和维护，以延长使用寿命。
齿轮箱自动轴与叶片轮毂的毗连必需靠得住紧固。输出轴若直接与机电联接时，应采用合适的联轴器，好是弹性联轴器，并串接起庇护作用的平安装配。齿轮箱轴线与相联接部门的轴线应保证齐心，其误差不得年夜于所选用联轴器的允许值。
齿轮箱安装后用人工盘动应灵活，无卡滞现象，齿面接触黑点应到达技术条件的要求。依照说明书的要求加注划定的机油到达油标刻度线，并在正式使用之前空载运转，此时可以哄骗机电带动齿轮箱，经检查齿轮箱运转平稳，无冲击振动和异常噪音，润滑情况秀，且遍地密封和连系面不漏油，才能与机组一起投进试运转。
加载实验应分阶段进行，划分以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载，每阶段运转以平衡油温为主，一般不得小于2小时，高油温不得跨越80゜C，其分歧轴承间的温差不得高于15゜C。
齿轮箱的润滑
齿轮箱的润滑十分重要，秀的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的庇护作用。为此，必需高度重视齿轮箱的润滑问题，严酷依照规范连结润滑系统持久处于好状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。是以，配备靠得住的润滑系统尤其重要。电动齿轮泵从油箱将油液经滤油器输送到齿轮箱的润滑管路，对各部门的齿轮和传动件进行润滑，管路上装有各类监控装配，确保齿轮箱在运转傍边不会泛起断油。
在齿轮箱运转前先启动润滑油泵，待各个润滑点都获得润滑后，距离一段时间方可启动齿轮箱。当情况温度较低时，例如小于10゜C，须先接通电热器加机油，到达预定温度后才投进运行。若油温高于 设定温度，如65゜C时，机组控制系统将使润滑油进进系统的冷却管路，经冷却器冷却降温后再进进齿轮箱。管路中还装有压力控制器和油位控制器，以监控润滑油的正常供给。如发生故障。监控系统将立即发出报警旌旗灯号，使操作者能迅速判定故障并加以破除。
对润滑油的要求应斟酌：1）减小磨擦和磨损，具有高的承载能力，避免胶合；2）吸收冲击和振动；3）避免委靡点蚀；4）冷却，防锈，抗侵蚀。分歧类型的传动有分歧的要求。风力发电齿轮箱属于闭式齿轮传动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和鸿沟膜强度。由于在较年夜的温差下工作，要求粘度指数相对较高。为提高齿轮的承载能力和抗冲击能力，适当地添加一些极压添加剂也有需要，但添加剂有一些副作用，在选择时必需慎重。齿轮箱制造厂一般凭据自己的经验或实验研究推荐各类分歧的润滑油，例如MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220 GB5903-95齿轮油就是凭据齿面接触应力和使用情况条件选用的。
在齿轮箱运行时代，要定期检查运行状态，看看运转是否平稳；有无振动或异常噪音；遍地毗连和管路有无渗漏，接头有无松动；油温是否正常。定期更换润滑油，次换油应在投进运行500小时落后行，以后的换油周期为每运行5，000-10，000小时。在运行进程中也要注重箱体内油的变化情况，定期取样化验，若油发生变化，氧化生成物过并跨越一定比例时，就应实时更换。
齿轮箱应每半年检修一次，备件应依照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况应合适技术条件的划定，并经过试运转与负荷实验后再正式使用。 第六节 齿轮箱常见故障及预防措施 齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。
1、 齿轮损伤
齿轮损伤的影响身分很多，包括选材、设计计较、加工、热处置、安装调试、润滑和使用维护等。常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。
（一） 轮齿折断（断齿）
断齿常由细微裂纹慢慢扩大而成。凭据裂纹扩大的情况和断齿缘由，断齿可分为过载折断（包括冲击折断）、委靡折断和随机断裂等。
过载折断总是由于作用在轮齿上的应力跨越其极限应力，致使裂纹迅速扩大，常见的缘由有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较年夜硬物挤进啮合区等。断齿断口有呈放射状花样的裂纹扩大区，有时 断口处有平整的塑性变形，断口副常可拼合。仔细检查可看到材的缺陷，齿面精度太差，轮齿根部未作邃密处置等。在设计中应接纳需要的措施，充实斟酌预防过载身分。安装时避免箱体变形，避免硬异物进进箱体内等等。
委靡折断发生的基本缘由是轮齿在太高的交变应力重复作用下，从危险截面（如齿根）的委靡源肇端的委靡裂纹不竭扩大，使轮齿残剩截面上的应力跨越其极限应力，造成瞬时折断。在委靡折断的发源处，是贝状纹扩大的动身点并向外辐射。发生的缘由是设计载荷估不足，材料选用不妥，齿轮精渡过低，热处置裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中等等。故在设计时要充实斟酌传动的动载荷谱，选齿轮参数，准确选用材料和齿轮精度，充实保证加工精度消除应力集中集中身分等等。
随机断裂的缘由凡是是材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中酿成的局部应力过年夜，或较年夜的硬异物落进啮合区引发。
（二） 齿面委靡
齿面委靡是在过年夜的接触剪应力和应力轮回次数作用下，轮齿概况或其表层下面发生委靡裂纹并进一步扩大而酿成的齿面损伤，其浮现形式有早期点蚀、破坏性点蚀、齿面剥落、和概况压碎等。出格是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位泛起，而且不竭扩大，使齿面严重损伤，磨损加年夜，终致使断齿失效。准确进行齿轮强度设计，选择好材，保证热处置，选择合适的精度配合，提高安装精度，改善润滑条件等，是解决齿面委靡的基本措施。
（三） 胶合
胶合是相啮合齿面在啮合处的鸿沟膜遭到破坏，致使接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象，极可能是由于润滑条件欠好或有干与引发，适当改善润滑条件和实时破除干与原由,调整传动件的参数，断根局部载荷集中，可减轻或消除胶合现象。
2、 轴承损坏
轴承是齿轮箱中为重要的零件，其失效经常会引发齿轮箱灾难性的破坏。轴承在运转进程中，套圈与转动体概况之间承受交变负荷的频频作用，由于安装、润滑、维护等方面的缘由，而发生点蚀、裂纹、概况剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮副和箱体发生损坏。据统计，在影响轴承失效的众多身分中，属于安装方面的缘由占16%，属于污染方面的缘由也占16%，而属于润滑和委靡方面的缘由各占34%。使用中70%以上的轴承达不到预定寿命。因而，重视轴承的设计选型，充实保证润滑条件，依照规范进行安装调试，增强对轴承运转的监控长短常需要的。凡是在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温现象进行监控，统一箱体上分歧轴承之间的温差一般也不跨越15゜C，要随地检查润滑油的变化，发现异常立即停机处置。
3、 断轴
断轴也是齿轮箱常见的重年夜故障。究其缘由是轴在制造中没有消除应力集中身分，在过载或交变应力的作用下，超越了材料的委靡极限而至。因而对轴上易发生的应力集中身分要给予高度重视，出格是在分歧轴径过渡区要有圆滑的圆弧毗连，此处的光洁度要求较高，也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。设计时，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构也不能过度下降轴的强度。保证相关零件的刚度，避免轴的变形，也是提高轴的靠得住性的响应措施。
4、 油温高
齿轮箱油温高不应跨越80゜C，分歧轴承间的温差不得跨越15゜C。一般的齿轮箱都设置有冷却器和加热器，当油温底于10゜C时，加热器会自动对油池进行加热；当油温高于65゜C时，油路会自动进进冷却器管路，经冷却降温后再进进润滑油路。如齿轮箱泛起异常高温现象，则要仔细观察，判断发生故障的缘由。首先要检查润滑油供给是否充实，出格是在各主要润滑点处，必需要有足够的油液润滑和冷却。再次要检查各传动零部件有无卡滞现象。还要检查机组的振动情况，前后毗连有否松动等等。
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