齿轮箱设计对风力机性能的影响

图2-10　主轴、轴承外形

风力机转子旋转产生的能量通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。齿轮箱是一个重要的机械部件，它的主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其达到相应的转速。因此，增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小、重量轻、性能优良、运行可靠、故障率低。使用齿轮箱可以将风力发电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩，因此，齿轮箱也称为增速箱。风力机上的齿轮箱通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600kW或750kW机组的齿轮比大约为1∶50。齿轮箱外形和内部结构分别如图2-11和图2-12所示。

齿轮和轴承在转动过程中都是非直接接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，因而会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。

1.箱体

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产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意轴承支承和机座支承的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。

图2-11　齿轮箱外形图

图2-12　齿轮箱的内部结构

2.齿轮和轴的连接

风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用要求其选材和结构设计极为严格，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻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连接所限，常制成轴齿轮的形式。(www.xing528.com)

为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料。内齿圈按其结构要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料，也可采用与外齿轮相同的材料。采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。合理的预热处理以及中间和最终热处理工艺保证了材料的综合机械性能达到设计要求。

3.齿轮

（1）齿轮精度。齿轮箱内用作主传动的齿轮精度：外齿轮不低于GB/T10095.1—2008《圆柱齿轮 精度制 第1部分齿轮同侧齿面偏差的定义和允许值》规定的5级；内齿轮不低于GB/T10095.1—2008规定的6级。选择齿轮精度时要综合考虑传动系统的实际需要，优秀的传动质量靠传动装置各个组成部分零件的精度和内在质量来保证，不能片面强调提高个别件的要求，使成本大幅度提高，却达不到预定的效果。

（2）渗碳淬火。通常齿轮最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到HRC（60±2），同时规定随模数大小而变化的硬化层深度要求，具有良好的抗磨损接触强度，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。

（3）齿形加工。为了减轻齿轮副啮合时的冲击，降低噪声，需要对齿轮的齿形、齿向进行修形。在齿轮设计计算时，已根据齿轮的弯曲强度和接触强度初步确定轮齿的变形量，再结合考虑轴的弯曲、扭转变形以及轴承和箱体的刚度，绘出齿形和齿向修形曲线，并在磨齿时进行修正。

4.滚动轴承

齿轮箱的支承中大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使载荷和速度在很宽的范围内变化时也如此。滚动轴承的安装和使用都很方便。但是，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降，高速工作时的噪声和振动比较大。齿轮传动时轴和轴承的变形引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，降低传动件的承载能力。由于载荷不均匀，会使轮齿经常发生断齿的现象，但在许多情况下，轮齿断齿是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起。选用轴承时，不仅要根据载荷的性质，还应根据部件的结构要求来确定。相关技术标准，如DINISO 281—2010《滚动轴承额定动荷载和额定寿命标准信息》，或者轴承制造商的样本，都有整套的计算程序可供参考。

5.密封

齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。

（1）非接触式密封。所有的非接触式密封不会产生磨损，使用时间长。

（2）接触式密封。接触式密封使用的密封件应使密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。