齿轮箱传动效率与噪声探究

1.传动效率

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、润滑油飞溅和搅油损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式计算：

η=η₁η₂η₃η₄ （8-23）

式中 η₁——齿轮啮合摩擦损失的效率；

η₂——轴承摩擦损失的效率；

η₃——润滑油飞溅和搅油损失的效率；

η₄——其他摩擦损失的效率。

对于行星轮系齿轮机构，计算效率时还应考虑对应于均载机构的摩擦损失。行星齿轮轮系的效率可通用一般《机械设计手册》推荐的公式进行计算，其方法主要有啮合功率法、力矩法和传动比法。啮合功率法是普遍应用的方法。

风力发电机组齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97％，是指在标准条件下应达到的指标。一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级，对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率可概略定为99％，而行星轮每级约有1％的损失。当传递的功率小于额定功率时，齿轮箱效率会有所下降，这是因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率减小时所占比重增大的缘故。

图8-25所示为不同类型齿轮箱的传动效率概略值。

图8-26是根据某1.5MW机组2级行星齿轮箱实测的传动效率与功率变化关系，图中P—实测功率；P_N—额定功率。

图8-25 齿轮箱效率(www.xing528.com)

2.噪声

相关标准规定，1000kW～3000kW的风力发电机齿轮箱在1m距离测得的噪声应在100dB（A）～105dB（A）。

齿轮箱的噪声主要来自于个别齿之间的啮合以及制造安装质量。轮齿承载时会有轻微变形，如果没对齿形进行修正，轮齿进入啮合时就会产生一系列的撞击。要减小这种撞击，就应该在设计齿轮时对齿廓进行修形，使空载齿廓顶部在额定载荷时能够无侧隙地进入啮合。在齿轮设计计算时，应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。另外，按额定载荷修形的齿，在低于额定功率使用时，又会造成重合度的降低。因此，修形也要考虑一个适当的功率范围，即应该是在噪声影响水平较大且难以掩盖的载荷下进行。

斜齿轮具有平稳的啮合传动特性，经常被应用在平行轴传动上。行星级传动由于制造安装的复杂性，往往采用直齿轮，但由于齿轮较小，线速度较低，其噪声水平也比较小。

行星传动齿圈通常是固定件，可以很方便地与外壳制成一体，但这样很容易将本身啮合噪声通过外壳直接传出来，一种解决办法是将齿圈做成一个独立组件，并利用弹性支撑与机座相连。类似地，齿轮箱的弹性支座，也可以减小齿轮箱传递到机舱结构和塔架的噪声。

有多种途径把齿轮箱的噪声传递到周围环境：

1）从轴上直接传到叶片，这种方式传导效率很高；

2）从齿轮箱的弹性支座传到支撑结构，并由此传至塔架，这种方式在一些环境下传导效率也很高；

3）从齿轮箱的弹性支座传到支撑结构，并由此传到机舱内，再通过结构及空气传导到周围环境。

各种传导路径模态上往往比较密集，难以设计出选定的频率。提高制造质量、齿廓修形及弹性支撑等设计、提高轴和轴承的刚度、合理布置轴系和轮系传动并避免发生共振，是尽量减小噪声源的主要措施；再有就是在噪声传导路径上进行处理，如当叶片是主要传导源时，可在叶片中加入阻尼材料，以及在塔筒壁附加沙石或铺设沥青等。

图8-26 效率与比功率的关系