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1、风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础）吴运东2005 年 7 月于杭州风电场开发研讨班培训教材（齿轮箱、偏航系统、刹车系统、控制系统、塔架与基础）1 风力发电机组的齿轮箱风力发电机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产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过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。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将主轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装
2、置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠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，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要
3、配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。21齿轮箱的设计要求齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用 CAD 优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。1.1. 设计要求齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度
4、、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300 标准计算确定。国际上通行的风力机组认证规范有相应的章节给出载荷谱计算公式，本教材也对水平轴风力发电机组气动载荷谱分析计算作了详尽的讲解。这些资料都可用作设计计算的参考.当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数 KA1；当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取 KA=
5、1.3。风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准是GB/T3480 或 DIN3990（等效采用 ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。1.1.1. 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、润滑油飞溅和搅拌损失、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： 1 2 3 4 (1) 式中 1齿轮啮合摩擦损失的效率； 2轴承摩擦损失的效率； 3润滑油飞溅和搅油损失的效率； 4其他
6、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檫损失。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和力偏移法两种。啮合功率法通过转化机构（定轴轮系）的机械效率来求出行星轮系的机械效率，虽然是一种近似算法，但由于方便计算和理解，故常用此法进行设计计算。力偏移法有较高的精度，但计算繁杂，一般少用。风力发电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。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%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，
7、随着传递载荷的减小，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，在传递功率变化时几乎是不变的。1.1.2. 噪声级 风力发电增速箱的噪声标准为 85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施： 适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度； 提高轴和轴承的刚度； 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。 齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联接刚度，将齿轮箱的机械振动控制在 GB/T8543 规定的 C 级之内。 1.2. 可靠性 按照假定寿命最少 20 年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况
8、进行疲劳分析，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、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是: 在方案设计开始时进行可靠性初步分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。 2. 齿轮箱的构造2.1. 齿轮箱的类型与特点 风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分
9、为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。常用齿轮箱形式及其特点和应用见表 1。 表 1 常用风电增速箱的形式和应用 2.2. 齿轮箱图例 各种齿轮箱图例如图 14 所示。 图 1 为两级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。输入轴大齿轮和中间轴大齿轮都是以平键和过盈配合与轴联接；两个从动齿轮都是采用了轴齿轮的结构。图 1 两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱图 2 一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱图 2 为一级行星和一级圆柱齿轮传动齿轮箱的展开图。机组传动轴与齿轮箱行星架轴之间利用胀紧套联结，装拆方便，能保证良好的对中性，且减少了应力集中。行星传动机构利用太阳轮的浮动实现均载。图 3 图 4 带主轴的一级行星和
10、二级平行轴圆柱齿轮传动装置3. 国产大型风力发电机组齿轮箱简介国内有不少风力发电齿轮箱专业生产厂，其中最为著名的是重庆齿轮箱责任有限公司、杭州前进齿轮箱集团有限公司和南京高精齿轮股份有限公司等三家,如表 2, 表 3, 表 4 示，他们都是国家机械工业大型骨干企业，拥有先进的加工设备和设计制造技术，可以为风力发电行业批量提供各种型号的齿轮箱产品。近年来这几家公司在吸收国际先进技术的基础上，相继开发了不少新产品，其中多数是按照主机厂的特定要求研制，例如为新疆风电公司配套的 600kW 风力发电机组增速箱，综合了国外产品的特点，优化了设计参数，加强了关键结构，运转平稳，质量可靠，受到业主的好评。表
11、 2 重庆齿轮箱责任有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号 传动方式 额定功率 kW 增速比 输入转速 r/min 输入轴联接方式 重量 kgFL600一级行星+两级平行轴645 56.5 26.85 发兰联接 9700FLA600 两级行星 645 45.3 33.5 胀套联接 3200FL750 一级行星+两级平行轴 750 67.401 22.3 胀套联接 4500FLA750 一级行星+一级平行轴 825 69.86 21.73 胀套联接 5900FL1000一级行星+两级平行轴1100 53.38 18.733 胀套联接 12500FL1300 一级行星+两级平行轴 1390 78.
12、62 19.27 胀套联接 16000FLA1300一级行星+两级平行轴 1397.5 79 19胀套联接 16000FL1500 一级行星+两级平行轴 1500 67 14.92 胀套联接 17000表 3 杭州前进齿轮箱集团有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号 传动方式 额定功率 kW 增速比 输入转速 r/min输入轴联接方式重量kgFZ100 两级平行轴 135 23.989 42.2 胀套连接 1000FZ200 两级平行轴 240 22.33 45 胀套连接 1600FZ250 两级平行轴 280 23.4 43 胀套连接 1900FZ250LX两级行星 275 38.2 39.
13、26胀套连接 1500FZ600B一级行星+两级645 56.6 26.8 法兰连接 9000平行轴FZ646 两级行星 645 45.529 33.5 花键连接 4000FZ750一级行星+两级平行轴825 67.4 22.25 胀套连接 6000FZ1300一级行星+两级平行轴1390 78.628 19.27 胀套连接 11000FZ1500一级行星+两级平行轴1610 67 19 胀套连接 13000表 4 南京高精齿轮股份有限公司风力发电齿轮箱主要产品参数型号 传动方式 额定功率 kW 增速比 输入转速 r/min输入轴联接方式重量kgFD200 两级平行轴 200 36.12 42
14、 胀套连接 1820FD250 两级平行轴 250 23.68 43 胀套连接 1950FD300 两级平行轴 300 44.66 34 胀套连接 4650FD600W 两级行星 600 45.03 33.5 花键连接 3200FD645一级行星+两级平行轴645 55.7 27.2 胀套连接 4100FD645J一级行星+两级平行轴645 56.51 26.8 花键连接 9600FD660一级行星+两级平行轴660 52.62 28.5 胀套连接 4250FD660M三级平行轴功率双分流660 59.54 25.5 胀套连接 7600FD1000 一级行星+ 1000 53.8 24.16
15、胀套连接 7650两级平行轴FD1390一级行星+两级平行轴1390 78.62 19.27 收缩盘 12500FD1500一级行星+两级平行轴1500 67.056 19 收缩盘 13500FD1660一级行星+两级平行轴1660 72/98 20 收缩盘 14500图 2-5-7 FL600 外形结构4. 齿轮箱的主要零部件4.1. 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。 4.2. 齿轮和轴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格的选材和结构设计，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。
