风电增速箱的一般结构及原理风力发电机整体结构§ 风力发电机由叶片、增速齿轮箱、风叶控 制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成 § 视频 图1风力发电机部件位置图增速箱概述§ 功能：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 § 特点1、安装空间狭小，要求体积小、重量轻2、受无规律的变向变负荷及强阵风的冲击3、常年经受酷暑严寒和极端温差的影响4、所处环境交通不便，拆卸及运输不便5、一旦出现故障，修复非常困难常见增速箱的一般结构§ 德国弗兰德4280系列（642kw）增速箱结构图1一级行星齿轮+二级平行轴圆柱齿轮传动的增速箱结构简图ⅠⅡⅢⅡⅠⅢ§ 传动结构：由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传 动组成 § 传动过程： 主轴 胀紧套 行星架 行星轮 太阳轮 花键套 低速轴（Ⅰ轴） 中 间轴（Ⅱ轴） 输出轴（Ⅲ轴） 发电机 § 传动比：r输入=27.24r/minr输出= 1509r/mini总=55.40 § 速比分配： Ø 太阳轮与主轴速比i为5.56 Ø 中间轴与低速轴速比i为4.05 Ø 输出轴与中间轴速比i为2.46§ 特点： Ø结构紧凑 Ø胀紧套的连接传递的扭矩大，低速级主轴转速低 Ø行星传动，功率分流，太阳轮浮动均载，传动平 稳 Ø配对外花键加工为鼓形花键，增加太阳轮的浮动 量 Ø末二级为平行轴圆柱齿轮传动，扭矩小，可合理 分配减速比，提高传动效率 Ø齿轮箱拆卸方便，但要求加工精度较高§ 西班牙TegsaPE-477B(350KW)增速箱结构图2三级圆柱齿轮传动增速箱二维结构展开简图ⅢⅡⅠⅣ图3三级圆柱齿轮传动增速箱内部轴系位置三维结构简图ⅡⅠⅣⅢ§ 传动结构：三级平行轴圆柱齿轮传动 § 传动过程：输入轴（Ⅰ轴） 一级增速齿轮轴（Ⅱ轴）二级增速齿轮轴（Ⅲ轴） 输出轴（Ⅳ轴） § 传动比：r输入=34r/minr输出= 1512.8r/mini总=44.49 § 速比分配： Ø 一级增速轴（Ⅱ轴）与输入轴（Ⅰ轴）速比i为3.90 Ø 二级增速轴（Ⅲ轴）与一级增速轴（Ⅱ轴）速比i为3.53 Ø 输出轴（Ⅳ轴）与二级增速轴（Ⅲ轴）速比i为3.23§ 特点 § 全部是圆柱齿轮传动，传动结构相对比较简单 § 上下对开式结构，拆装极其方便 § 所用轴承均为调心滚子轴承，承载能力强，可以 调节同轴误差 § 全部轴承都采用强制喷油润滑，润滑充分 § 输出轴自带油泵，无需再配备电机 § 齿轮相对于轴承的位置不对称，要求轴有较大的 刚度 § 体积和重量相比同等功率增速箱都要大§ 国内（重齿FLA600、杭齿FZ646、南高齿FD600,功率 645KW)增速箱结构图4两级行星机构串联轴传动增速箱结构简图ⅠⅢⅡ图5两级行星机构串联轴传动增速箱内部结构简图ⅠⅢ Ⅱ§ 传动结构：两级行星机构串联轴结构 § 传递过程：主轴 Ⅰ级行星架 一级太阳轮 Ⅱ 级行星 二级太阳轮 串联轴Ⅲ 发电机 § 传动比：r输入= 33.5r/minr输出= 1517.55r/mini总= 45.3 § 特点： § 输入转速高 § 结构紧凑 § 体积是同等功率其他类型增速箱的70%，重量轻 § 制造精度要求较高，结构复杂增速箱齿轮的设计要点§ 1、材料的选取及热处理方式材料的选取上要对材料的弯曲疲劳强度分布进行分析，对 材料强度统计其平均值和分布规律。
优点： Ø 对齿轮的设计、计算可以比国家标准提供更可靠的计算数 据 Ø 分析不同材料的疲劳强度分布规律对材料的选择提供依据 使材料的使用性能和所需费用达到优化§ 进口风电增速箱的材料与主要工艺要求名称硬度材料热处热处 理工 艺艺硬化层层深 表面粗糙 度精度主轴轴25.542CrMo调质调质0.84 内齿齿圈30-3142CrMo调质调质0.84 行星轮轮6117CN5渗碳淬火1.0-1.20.84 行星架24.545调质调质1.64 太阳轮轮5517CN5渗碳淬火1.2-1.50.84 太阳轮轴轮轴51-5217CN5渗碳淬火10.84 一级级主齿齿58.417CN5渗碳淬火10.84 鼓型套HV55042CrMo调质调质 后氮化 0.30.84 中间轴间轴58.117CN5渗碳淬火0.84 高速轴轴6017CN5渗碳淬火0.70.84 中间轴齿间轴齿 轮轮55.117CN5渗碳淬火1.00.84胀紧胀紧 套3740Cr调质调质1.64 胀紧胀紧 套楔 块块HB17540CrMo调质调质1.64箱体HBQT400退火1.64§ 国产化的风电增速箱的材料及工艺要求 名称材料热处热处 理工 艺艺表面硬度硬化层层深 芯部硬度精度主轴轴42GrMoA调质调质25-325 内齿齿圈42GrMoA调质调质 +氮化HV7000.328-386 行星轮轮20MnCr5渗碳淬火58-621.0-1.230-385 行星架45调质调质20-285 太阳轮轮20CrMnTi渗碳淬火58-621.2-1.530-385 太阳轮轴轮轴20CrMnMo渗碳淬火56-601.524-355 一级级主齿齿20CrMnTi渗碳淬火58-621．530-385 鼓型套42GrMo调质调质 后氮 化HV5500.328-355中间轴间轴20CrMnTi渗碳淬火56-601.228-355 高速轴轴17CrNiMo6 渗碳淬火58-621.232-425中间轴齿间轴齿 轮轮20CrMnMo渗碳淬火56-601.232-405胀紧胀紧 套40Gr调质调质35-405 胀紧胀紧 套楔 块块40GrMo调质调质HB180-2805箱体QT400退火HB140-1805§ 国产化材料的设计： Ø 尽量选用杂质含量低的钢，尽量降低钢材的含氧量，力求 小于5PPm Ø 锻造工艺的控制要求晶粒度要求大于6级 Ø 要有足够的锻造比，达到内部夹杂物和疏松等缺陷的大小 与晶粒相当，形状不尖锐，分布不连续，尽量远离表面 Ø 对于高速轴，应选用合金含量高的表面渗碳钢，控制芯部 的抗拉强度及断面收缩率 Ø 对轴颈过度圆角进行研磨，以提高轴齿的疲劳性能及轴颈 的弯曲、扭转疲劳性能 Ø 低速级模数大、直径大的齿轮，要考虑材料的淬透性和渗 碳过程的抗晶界氧化和晶粒长大的能力。
Ø 大齿圈国外采用ADI-1000，表面石墨球可以改善润滑条 件，国产没有足够的生产能力，常采用渗碳钢，要提高润 滑油粘度，保证齿面有充分的润滑§ 我公司风电增速箱部件的选材及工艺要求 名称材料热处热处 理工 艺艺表面硬度硬化层层深芯部硬度表面 粗糙 度精度内齿齿圈42GrMoA调质调质HB300-3300.86GB10095 行星轮轮17CrNiMo6渗碳+淬 火+回火58-621.7-2.033-420.85GB10095太阳轮轮17CrNiMo6渗碳+淬 火+回火58-621.7-2.033-420.85GB10095低速轴轴20CrMnMo 调质调质HB300-3300.84GB10095 一级级主 齿齿20CrMnMo渗碳+淬 火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095鼓型套42GrMo调质调质HB300-3301.64GB10095中间轴间轴20CrMnMo渗碳+淬 火+回火58-621.5-1.833-420.84GB10095高速轴轴17CrNiMo6渗碳+淬 火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095中间轴间轴 齿轮齿轮17CrNiMo6渗碳+淬 火+回火58-620.9-1.233-420.84GB10095箱体Q235+45退火HB140-1801.65例如图7、图.8、图.9、图.10分别为20CrMnTi、20CrMnMo、 20MnCr5、17CrNiMo6的弯曲疲劳强度分布图。
图6 20CrMnTi弯曲疲劳强度分布图图7 20CrMnMo弯曲疲劳强度分布图图8 20MnCr5弯曲疲劳强度分布图图9 17CrNiMo6弯曲疲劳强度分布图§ 结论：从图中可以明显看出，这四种常用齿轮钢 在制造大小相当的齿轮，其基本加工工艺相同的 弯曲疲劳强度的低限逐步提高，高限接近（最大 值均在750N/mm2附近），也就是说分布范围收 窄，结合风电增速箱的参数计算，及每个齿轮的 应力循环次数，在选材方面从一级主齿及低速轴 大齿轮和中间轴均选用20CrMnMo ，太阳轮、行 星轮、中间轴上齿轮和输出齿轮轴轴选用 17CrNiMo6根据实际运行情况及损坏统计同一 部件加工精度等级上要比国产化风电增速箱提高 一级§ 风电齿轮箱的国产化主要工艺过程设计 Ø 传统工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛 刺清洗 渗碳淬火 清理抛丸 磨齿 检验 Ø 改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 精度粗加 工+去毛刺清洗 预热处理 重行奥氏体化渗碳淬火 {A’ M(a)} 清理抛丸 少余量缓进给磨齿 检验 Ø 对重要件改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛刺清洗预热处理 重行奥氏体化渗碳淬 火 清理抛丸 磨齿 强力抛丸 微量磨削 检验§ 2、齿轮参数的设计要点 § 1、斜齿轮受力分析 ·T=9549P/n1 T=Ftd/2 由于功率P转速n1是定值，扭矩T为 定值，而d不变则Ft不变F= FncosаnFr=FnsinаnFt= F cosβFx= F sinβ Fr= Ftsinаn /cosаncosβ=Fttgаn/cosβ, 故径向力Fr随压力角аn增大而增大。
Fx=F/cosβ=Ftsinβ/ cosβ=Fttgβ, 故轴向力Fx随螺旋角β的增大而增大 § 2、设计载荷Ø 风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础按照 JB/T10300标准计算确定 Ø 按照实测载荷谱计算，齿轮箱使用系数KA＝1当无法得 到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3 § 3、设计要求 § 效率：机械效率应大于97% § 噪声级：噪声标准为85dB（A）左右降低噪声的措施：1. 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. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振； 4. 安装时采取必要的减振措施§ 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 4、参数选择 Ø 齿形角а的选择：标准齿形角20°， • 采用大齿形角22.5、25、28等，可提高齿根弯曲强度（丹麦Ja-Ke CS520增速箱） • 采用小于20°齿形角，加大重合度，降低噪声和动载荷 Ø 模数m选择：满足轮齿的弯曲强度条件下，选用较小模数 可增大齿轮副的重合度，减小滑移率，减小齿轮切削量， 降低制造成本。
转速高的齿轮尽量减轻重量Ø 齿数z：齿数增加和模数减小可明显提高传动质量 Ø 螺旋角β：螺旋角太小，将失去斜齿轮的优点，取大值可 增加重合度，使传动平稳性提高但会增加轴向力，一般 8°-15° Ø 齿宽b：齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿 宽越大，载荷分布不均现象越严重支承对齿轮的配置Φd推荐值工作齿面的硬度一个或一对齿轮≤350两个齿轮都是＞350对称配置并靠近齿轮0.8-1.40.4-0.9非对称配置结构刚性较大时0.6-1.20.3-0.6结构刚性较小0.4-0.80.2-0.4Ø 变位系数的选。