行星齿轮：风力机中的重要组件

图7-12为在风力机中可能用到的大型行星齿轮，图7-13为行星齿轮的内部结构。行星齿轮中内部的齿轮称为太阳齿轮，它通过一系列较小的行星齿轮与外部的环形齿轮相啮合。就像斜齿圆柱齿轮一样，行星齿轮中所有齿轮的齿与齿轮端面均呈斜角（斜齿）。外部环形齿轮绕着太阳齿轮旋转，就像行星绕着太阳系的太阳旋转一样，行星齿轮由此而得名。

图7-12 行星齿轮（图片来源：NKE Bearings）

图7-13 行星齿轮的内部结构(www.xing528.com)

行星齿轮比较适合应用于风力发电机齿轮箱中，因为它有很多优点。行星齿轮输入轴和输出轴可以平行并且同向旋转，这意味着齿轮箱和发电机可安装在一条直线上。行星齿轮适用于风力机齿轮箱的另一个原因是对齿轮进行特殊设计后可以承受风力机频繁出现的极端负荷。某一瞬间风速可能是10mile/h，但几分钟后可能突然出现超过30mile/h的阵风，这会使叶片承受严重而多变的负荷，这种突变会给叶片、转轴和齿轮箱施加极大应力。大型风力机的风轮直径可超过300ft，能提供（1～2）万lbf·ft转矩。行星齿轮箱能够提供75∶1或100∶1增速比，转子通过低速轴连接到齿轮箱输入轴，而发电机通过高速轴连接于齿轮箱输出轴。风驱动风轮旋转的速度为10～20r/min，经过齿轮箱增速可提高至1800r/min转速。

如果齿轮箱传动比为75∶1或100∶1时，任何轻微风速的变化将都会被放大100倍。同样如果有任何不正常的力作用到轴承或齿轮上，它们也会被放大100倍，这也是齿轮和轴承过早磨损的主要原因。行星齿轮能够有效限制上述作用产生的损害。

理论上讲，风力机齿轮箱采用行星齿轮，可将输入的转矩通过三条不同的路径传递，减少了每个齿轮的负荷转矩。实际中，高转矩使得齿轮的啮合变形，这种变形被传送到行星齿轮内部的轴承，这意味着它们之间负荷分配不平均。其结果就是当齿轮存在对中偏差时，冲击负荷和其他导致应力的力矩最终可能导致齿轮断裂或扭曲。这种错位会因为齿轮工作在不正常工作情况下而导致轴承过早磨损。如果定期维护没有发现问题，所有这些因素将导致齿轮箱过早磨损甚至彻底损坏。齿轮箱安装在塔顶部的机舱里，技术人员必须爬上塔顶并确保安全情况下才能进行维修，因此风力机齿轮箱的定期保养费用高昂且检修耗时长。