1.3 风电齿轮箱

1.3.1 风电齿轮箱简介

风力发电机组上需要的齿轮箱一般包括以下几种：

（1）增速箱 也称主齿轮箱。位于双馈型机组上叶轮与发电机之间，其作用是将叶轮转速（一般为每分钟十几转，功率越大，转速越低）增大到发电机转速（通常为1800r/min，半直驱的转速低）。

（2）偏航/变桨减速器 所有机组均需要。偏航减速器用于把风轮方向调整到与风一致的方向，一般每个机组需要4台，常为4级行星减速器；变桨减速器用于调整叶片的方向（多用于控制），每个叶片的根部有1台，一般每个机组需要3台。

因增速齿轮箱最重要、技术难度最高，本书重点介绍风电增速齿轮箱。齿轮箱按照传动级数可分为单级齿轮箱和多级齿轮箱。按照传动的方式又可以分为展开式、分流式、同轴式和混合式等。

早期的风电齿轮箱设计种类较单一，小于500kW的齿轮箱多采用传统圆柱齿轮设计方法。随着兆瓦级别风力发电齿轮箱的成熟应用和广泛普及，考虑到综合设计、制造和运行、维护成本，500～2500kW的风电齿轮箱结构主要是2级行星1级平行和1级行星2级平行两种常见的齿轮箱结构型式。而对于2.5MW及以上大型齿轮箱的设计，目前采用功率分流、柔性轴等技术以及功率分流与柔性轴相结合的“融合技术路线”，这也是大型兆瓦级齿轮箱设计和应用的主要发展趋势。

机组传动系统是一个复杂的应力多变系统，不单只是系统中的传动机械，包括机座支架、机舱布置、风轮结构、电气系统和控制方式等，它们相互关联，相互影响。任何一个环节有问题都可能使机组无法正常运转。齿轮箱在传统风力发电机组中用于风轮与发电机之间传递动力和提高转速，是风力发电机组的核心关键部件，承受着来自风轮变化多端的载荷和发电机电网一方的冲击，也是机组中的薄弱环节。

风力发电设备多安装在荒郊野外，并支撑在近百米的塔架上，恶劣的工作环境和高昂的安装维护成本是一般工业设备无法比拟的。如果风电齿轮箱发生内部故障，在机舱内基本上无法处理，需出动数百吨级的起重机进行产品调换，维护成本也随之大幅度提高，企业会因此耗掉很多成本。因为对机组零部件的质量要求近乎苛刻，任何细小问题都不能掉以轻心，企业因此加大了资金的投入，技改设备购置动辄上亿元或数亿元，再加上需要大量高级技术人才和工业化基础，非一般企业所能承受。这使得前些年争相进入风电领域的一些齿轮制造企业压力巨大。

1.3.2 风电齿轮箱的要求

风电齿轮箱属于低速重载工业齿轮箱，相对于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱对可靠性的要求高，设计条件苛刻，同时也是机组的主要故障源之一。

（1）设计条件 风电齿轮箱属于大传动比、大功率的增速传动装置，且需要承受多变的风载荷作用及其他冲击载荷；由于维护不便，对其运行可靠性和使用寿命的要求较高，通常要求设计寿命不少于20年；设计过程往往难以确定准确的设计载荷，而结构设计与载荷谱的匹配问题也是导致其故障的重要诱因。

（2）运行条件 风电齿轮箱常年运行于酷暑、严寒等极端自然环境条件下且安装在高空，维修困难，因此，除常规状态力学性能要求外，对构件材料还要求低温状态下的抗冷脆性等特性。由于风力发电机组长期处于无人值守的自动控制运行状态，需考虑对齿轮传动装置的充分润滑及其监测，并具备适宜的加热与冷却措施，以保证润滑系统正常工作。

（3）安装条件 齿轮箱的体积和重量对风力发电机组其他部件的载荷、成本具有重要影响，减小其设计结构和减轻重量显得尤为重要。但结构尺寸与可靠性方面的矛盾，往往使风电齿轮箱的设计陷入两难境地。

（4）其他要求 一般需要在齿轮箱的输入端（或输出端）设置机械制动装置，配合风轮的气动制动实现对机组的制动功能。但制动产生的载荷对传动系统会产生不良影响，应考虑防止冲击和振动措施，设置合理的传动轴系和齿轮箱体支撑。其中，齿轮箱与主机架间一般不采用刚性联接，以降低齿轮箱产生的振动和噪声。

风电齿轮箱的总体设计目标很明确，即在满足传动效率、可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积和重量为目标，获得优化的传动方案。齿轮箱的结构设计应以传递功率和空间限制为前提，尽量选择简单、可靠、维修方便的结构方案。

1.3.3 齿轮传动的特点

齿轮传动具有传动比恒定、结构紧凑、传递功率大、传动效率高和零部件使用寿命长等优点，其缺点是制造和安装的成本高、吸振性差等。

通过主动齿轮与从动齿轮的啮合，实现运动和转矩的传递。主动齿轮与从动齿轮的转速比称为齿轮的传动比，取决于从动齿轮与主动齿轮的节圆半径之比，或从动齿轮与主动齿轮的齿数比，即

式中，n、r、z分别表示转速、齿轮节圆半径和齿数，下标1、2分别表示主、从动齿轮。

齿轮传动输出轴转矩与输入轴转矩的关系为

对于增速齿轮传动，n₂＞n₁，则有M₂＜M₁，即齿轮箱实现增速的同时，也降低了输出转矩。对于风力发电机组而言，传动系统中的增速齿轮箱使发电机转子转矩下降，增速比越大，转矩降低越多，这样可以减小发电机转子的直径。此外，将机械制动盘安装在齿轮箱输出轴上，制动力矩也比较小。

由于受结构和加工条件限制，单级齿轮传动的传动比不能太大，而每个齿轮的齿数也不能太少。因此，在需要大传动比的场合，需要采用多级齿轮副构成的轮系，轮系传动可分为定轴轮系传动和周转轮系传动。

定轴轮系中，所有齿轮的轴线位置不变，如果各轴线相互平行，则称为平面定轴轮系或平行轴轮系。图1-30所示为三级齿轮定轴轮系。

周转轮系中，至少有一个齿轮的轴线可以绕其他齿轮轴线转动。其中只有一个齿轮轴可以绕其他齿轮轴转动的轮系称为行星轮系。

图1-31所示为一种行星轮系的传动系统示意图。轴线可动的齿轮称为行星轮，位于中间的齿轮称为太阳轮，行星轮与太阳轮及外部的内齿圈啮合，太阳轮和内齿圈的轴线不变，其中内齿圈固定不动，行星轮即绕自身轴线转动，同时其轴线还绕太阳轮转动。行星轮系具有结构紧凑、传动比大等优点，但是其结构复杂，制造和维护较困难。图1-32所示为一种典型的行星轮系结构。

在实际应用中，往往同时应用定轴轮系和行星轮系，构成组合轮系。这样可以在获得较高传动比的同时，使齿轮箱结构比较紧凑。在风力发电齿轮箱中，多数采用行星轮系和定轴轮系结合的组合轮系结构。

1.3.4 结构型式

齿轮箱是风力发电机组传动系统中的主要部件，需要承受来自风轮的载荷，同时要承受齿轮传动过程产生的各种载荷。需要根据机组总体布局设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和传动系统中的其他构件提供可靠的支撑与联接，同时将载荷平稳传递到主机架。

（1）结构型式 由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通常需要多级齿轮传动，大型风力发电机组的齿轮箱的典型设计多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合轮系的传动方案。

2MW以下机组多采用1级行星+2级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴为行星齿轮传动，可使功率分流。后两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提高传动效率。

有些齿轮箱采用多级行星轮系的传动形式，例如，2级行星+1级平行轴齿轮的传动结构。多级行星传动可以获得更加紧凑的结构，但也使齿轮箱的设计、制造与维护难度和成本增加。因此，齿轮箱的设计和选型应综合考虑设计要求、齿轮箱总体结构、制造能力，以及与机组总体成本平衡等因素间的关系，尽可能选择相对合理的传动形式。

（2）齿轮材料 由于传动构件的运转环境和载荷情况复杂，设计采用的材料除满足常规力学性能要求外，还应具有极端温差条件下的材料特性，如耐低温冷脆性、极端温差影响下的尺寸稳定性等。

齿轮、轴类构件材料一般采用低碳合金钢，毛坯的制备多采用锻造工艺，以保证良好的材料组织纤维和力学特征。外啮合齿轮多采用17CrNiMo6、20CrNi2MoA等材料，内啮合的齿圈和轴类零件常采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。

（3）齿轮箱的箱体结构 箱体要承受风轮的作用力和齿轮传动过程产生的各种载荷，必须具有足够的强度和刚度，以保证传动的质量。

箱体的设计一般应依据主传动链的布局需要，并考虑加工、装配和安装条件，同时要便于检修和维护。批量生产的箱体一般采用铸造成形，常用材料有球墨铸铁或其他高强度铸铁。用铝合金或其他轻合金制造的箱体，重量较铸铁降低20%～30%。但当轻合金铸件材料的强度性能指标较低时，需要增加铸造箱体的结构尺寸，可能使其降低重量的效果并不显著。单件小批量生产时，常采用焊接箱体结构。为保证箱体的质量，铸造或焊接结构的箱体均需在加工过程安排必要的去应力热处理环节。

齿轮箱在机架上的安装一般需考虑弹性减振装置，最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢结构制成的弹性支座块。

在箱体上应设有观察窗，以便于装配和传动情况的检查。箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位需设置进出油口和相关的液压元件的安装位置。

（4）传动效率与噪声 齿轮传动的效率一般比较高，与传动比、齿轮类型及润滑油黏度等因素有关。定轴传动齿轮每级约有2%的损失，而行星传动每级约有1%的损失。在很多情况下，造成齿轮箱传动功率损失的主要原因是啮合摩擦和润滑过程中以热或噪声形式的能量消耗，因此，有效的散热可以提高风电齿轮箱的传动效率。采用紧凑结构设计的齿轮箱一般应配备相应的润滑冷却系统。除此之外，齿轮箱的传动效率还与额定功率以及实际传递功率有关。风力发电机组传动载荷较小时，效率会有明显的下降，其原因是此种条件下的润滑、摩擦等空载损失的比重相对增大，会使传动效率相应地下降。

设计标准对齿轮箱的传动噪声也有相应要求，而噪声与齿轮箱传动构件的设计和制造质量密切相关。齿轮箱设计通常应提供传动噪声的声压级别，根据DIN标准的测试条件，1m距离测得的声压值通常希望控制在表1-4所列的范围内。

1.3.5 损坏形式

1.齿轮

齿轮在运行过程中，齿面承受交变压应力、交变摩擦力以及冲击载荷的作用，可能会出现各种类型的损伤，导致运行故障甚至失效。齿轮失效的主要形式包括轮齿断齿、齿面损伤等。根据制造、安装、操作、维护、润滑和承载大小等方面的条件不同，故障发生的时间和程度会有很大差异。

（1）交变载荷引起的疲劳损伤 齿轮啮合过程中，齿面和齿根部均受周期交变载荷作用，在材料内部形成交变应力，当应力超过材料疲劳极限时，将在表层产生疲劳裂纹，随着裂纹不断扩展，最终导致疲劳损伤。这类损伤通常由小到大，由某个（几个）轮齿局部到整个齿面逐渐扩展，最终导致齿轮失效，失效过程通常会持续一定的时间。疲劳失效主要表现为齿根断裂和齿面点蚀。

1）疲劳断齿。齿根主要承受交变弯曲应力，弯曲疲劳裂纹产生并不断扩展，最终使齿根剩余部分无法承受外载荷，造成断齿。

2）点蚀。齿面在接触点既有相对滚动，又有相对滑动。滚动过程由于表面产生交变接触压应力和交变脉动剪应力，使齿面产生疲劳裂纹，当裂纹扩展到一定程度时，将造成局部齿面金属剥落，形成小坑，称为“点蚀”。随着齿轮工作时间的加长，点蚀逐渐扩大，各点蚀部位连成一片，将导致齿面整片金属剥落，齿厚减薄，造成轮齿断裂。

（2）过载引起的损伤 如果齿轮工作载荷过大或承受严重的瞬时冲击、偏载，使接触部位局部应力超过材料的许用应力，将导致轮齿产生突然损伤，轻则造成局部裂纹、塑性变形或胶合，重则造成轮齿断裂。

由于瞬时阵风、变桨操作、制动、机组起停以及电网故障等原因，风力发电机组经常会发生传动系统载荷突然增加，超过设计载荷的现象。过载断齿主要表现形式为脆性断裂，通常断面粗糙，有金属光泽。

（3）维护不当引起的故障 主要有齿面磨损和胶合，其他故障还包括电蚀、腐蚀等。

1）齿面磨损。润滑不足或润滑油不清洁，将造成齿面严重的磨粒磨损，使齿廓逐渐减薄，间隙加大，最终可能导致断齿。

2）胶合。重载和高速齿轮的齿面温度较高，如果润滑条件不好，两个啮合轮齿可能发生熔焊现象，在齿面形成划痕，称为胶合。

2.轴承

滚动轴承在正常工作条件下，由于受交变载荷作用，工作一定时间后，不可避免地会产生疲劳损坏，导致轴承失效，达到所谓的轴承“寿命”。

轴承寿命是发生点蚀破坏前轴承累计运行的小时数。

轴承疲劳损坏的主要形式是在轴承内、外圈或滚动体上发生点蚀。点蚀发生机理与齿轮点蚀机理基本相同，即由于长期受交变应力作用，在材料表面层产生微裂纹，随着轴承运行时间加长，裂纹逐渐扩展，最终导致局部金属剥落，形成点蚀。如果不及时更换轴承，点蚀部位将逐渐扩展，造成轴承失效。

超载造成轴承局部塑性变形、压痕；润滑不足造成轴承烧伤、胶合；润滑油不清洁造成轴承磨损；装配不当造成轴承卡死、内圈胀破、结构破碎等。

轴承损伤使轴承工作状态变坏，摩擦阻力增大，转动灵活性丧失，旋转精度降低，轴承温度升高，振动噪声加剧。

3.润滑

齿轮箱是风力发电机组最重要的组成部件，成本占风力发电机组总价的15%以上，一旦损坏，维修费用高达几十万甚至上百万元，且是风力发电机组中最易损坏的部件之一。润滑油好比齿轮箱的血液，保护齿轮及轴承。近几年，随着风力发电机组使用年限的延长，油温、轴承温升报警停机、油位报警、油液泄漏、补油频繁、滤芯更换频繁、轴承过度磨损、齿面点蚀、胶合甚至断齿等现象频繁出现。出现这些问题的主要原因有：

（1）润滑油黏度变化 风电齿轮箱润滑油工作时间长，负载大、油温高，润滑油氧化较其他设备润滑油严重，氧化形成的油泥沉积物及强负载作用下形成的油品分子链断裂都会改变油品的黏度，使得油品黏度先下降、再上升。油品黏度低，则承载能力降低，会加大齿轮和轴承的磨损，表现为油液分析中黏度变化、污染度上升、油液中金属超标；润滑油黏度高，则机械运行所受阻力加大，流动不畅，表现为油温、油压过高报警，润滑不良还会造成齿面的胶合及轴承的受热变形。

（2）润滑油水分影响 水分是影响齿轮箱润滑油质量的一个重要因素。地处潮湿环境的风电齿轮箱如不及时更换空气呼吸器，或由于运行环境温度低，再或长时间停机导致水分沉淀，将会直接导致油品发生乳化，零部件锈蚀。

（3）润滑油氧化 润滑油在长时间使用过程中，由于高温、循环不良或者运行时油位过低，外加可能受到的各种污染，油品的氧化程度会升高，氧化后的油品性能下降，会形成腐蚀零部件的酸性物质，加速滤芯消耗。

（4）磨损检测 因润滑油的作用，精度较高的齿轮正常啮合时磨损非常微小。如发现润滑油快速发黑，但润滑油本身分析未发现严重变性，只是发生铁屑增加时，应该主要考虑轴承异常卡阻问题，齿轮则较少出现。出现异常磨损往往与油膜无法有效建立相关，磨屑增多及润滑油黏度异常也有关联关系；润滑油变性或水分等腐蚀齿轮的成分增大时，也会出现齿轮磨损增大。

4.花键

随着风力发电产业的飞速发展，风力发电机组运行数量与日俱增，运行过程中机械故障量也逐年增长，花键副的故障就是其中之一。从分析结果来看，花键副的加工精度，特别是内花键的精度差、齿面硬度低、缺乏主动润滑是其失效的主要原因。目前，国内主流的风电齿轮箱制造商采用的内花键加工工艺主要有以下几种：第一种是软齿面并以插齿作为最终加工状态，第二种是以插齿后渗氮作为最终加工状态，第三种是以插齿后感应淬火作为最终加工状态。三种工艺的共同缺点就是无法同时保证精度和硬度。

此外，花键可与太阳轮轮齿同时进行渗碳淬火，工艺实现难度低。风电齿轮箱的传动结构一般采用1级行星+2级平行轴传动或者2级行星+1级平行轴传动，行星级输出与平行轴输入间都是通过花键联接传递转矩和功率，其中，外花键在行星级输出的太阳轮上，内花键在中间轴（也称内花键轴）上，内花键轴与大齿轮通过过盈配合实现转矩和功率的传递。

1.3.6 运行状态监测及寿命分析

风力发电机组一旦发生故障，将会造成重大的经济损失甚至人员伤亡。例如2004年，丹麦Honrs Rev海上风电场的数台风力发电机组出现各种技术故障，直接导致了供应商近4000万欧元的损失。

1.运行状态监测

（1）振动监测 风电齿轮箱是风力发电机组的关键部件，其性能与运行的稳定性会影响风能的利用率，直接影响机组的发电量，关系到风电业主的直接利益。而风电齿轮箱的故障停机并非一朝一夕造成的，这就需要在日常的运行中对齿轮箱进行持续的状态监测。齿轮箱的大多数故障均可以由箱体的振动状态与状态发展趋势反映出来。振动是表征机械设备异常和故障的最明显的征兆，对振动数据的采集、记录、分析是进行设备状态监测和故障诊断的主要途径。

（2）油液监测

1）颗粒度分析。齿轮箱是传递工业动力的重要部件，也是磨损失效故障发生率较高的机械设备，齿轮箱油的洁净程度极大影响齿轮箱的工作，尤其是风电场的增速齿轮箱。增速齿轮箱处于塔架的顶端，工作环境一般在多风沙的旷野，当空气中的砂砾粉尘进入齿轮箱后，能造成齿面划伤与疲劳，影响设备的可靠性和工作寿命。通过检测齿轮箱油的清洁度，控制齿轮箱油液的清洁等级，可以减少甚至避免因油液污染造成的设备失效。

目前，国家已经出台标准GB/T 33540.3—2017《风力发电机组专用润滑剂第三部分：变速器齿轮油》，要求清洁度≤8级。此外，颗粒度对风力发电机运行至关重要，颗粒度分析在润滑油生产、应用、设备维修中的应用日趋普遍。

2）颗粒计数原理

①激光遮光法。传统的颗粒计数器多采用激光遮光法（见图1-33）。通过激光器发出的光源穿过一个样品，一部分光被颗粒阻挡，因此，较少的光到达光电检测器上，进而引起与颗粒面积成比例的电压变化。光电检测器技术与车库门开启器的原理相似。因为检测的是光线的明暗变化，因此，对一些比较黑的油样，传统遮光法无法检测。并且，如果油样中含有水珠、气泡，设备无法辨别，也会被当作固体颗粒算在结果里，使得最终结果虚高，并且重复性差。

②直接成像法。图1-34所示的LaserNet220颗粒计数器采用直接成像法和人工神经网络进行颗粒计数和磨损颗粒分类。设备由激光源、样品池和CCD检测器组成，直接成像法工作原理如图1-35所示。进行油液检测时，油样流过样品池，油中的颗粒被激光照到CCD检测器上，人工神经网络得到颗粒尺寸、数量和分布信息，并且自动将大于20μm的磨粒分为切削磨损、接触磨损、疲劳磨损、非金属、水珠、气泡和纤维等。

与遮光法相比，直接成像法的灵敏度高，试样消耗少，分析时间短，检测内容全面。

2.寿命分析

风电齿轮箱作为风力发电机组中一个重要的机械传动部件，其功能是将叶片在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电。由于运行环境差且常年经受无规律强风冲击，因而故障率高，一旦发生故障，维修极其困难。所以，风电齿轮箱能否正常运行以及运行性能的好坏，对整个风力发电机组的效率有很大影响。目前，利用传统的计算方法很难实现齿轮箱在复杂载荷条件下寿命的计算，在设计过程中疲劳计算与实际运行情况可能相差很大。因此，针对我国风电齿轮箱的发展现状，合理地对其疲劳寿命进行分析十分必要。