风电技术总结

1、寿命 2、可靠性高 3、轴承强制润滑

4、传动类型圆柱齿轮箱，行星齿轮箱，多采用混合方式，形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等，多数为一级或两级行星+两级斜齿轮传动：大轴—行星架—行星轮—太阳轮—斜齿轮传动 5、制动装置

如图下面：一级行星传动，两级圆柱传动；齿圈固定模式

齿轮箱由两级行星和一级平行轴传动以及辅助装置组成。为了传动平稳和提高承载能力，齿轮采用斜齿并精密修形，外齿轮材料为渗碳合金钢，内齿轮为合金钢，一级行星架采用高合金铸钢材料，二级行星架和箱体采用高强度抗低温球墨铸铁。主轴内置于增速机，与第一级行星架过盈连接。齿轮箱通过弹性减震装置安装在主机架上。齿轮箱的轴向空心孔用于安装控制回路电缆。具体结构见图1。

图1

采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点， 适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。

外齿轮制造精度不低于6级，齿面硬度HRC58--62，外齿轮采用17CrNi2MoA．对

于兆瓦级风电齿轮箱，传动比多在100左右，一般有两种传动形式：一级行星+两级平行轴圆柱齿轮传动，两级行星+一级平行轴圆柱齿轮传动。相对于平行轴圆柱齿轮传动，行星传动的以下优点：传动效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递功率范围大，使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸大大缩小而；运动平稳、抗冲击和振动能力较强。在 依据提供的技术数据，经过方案比较，总传动比i=98．74，采用两级行星派生型传动，即两级行星传动+高速轴定轴传动。为补偿不可避免的制造误差，行星传动一般采用均载机构，均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性，同时可降低对齿轮的精度要求，从而降低制造成本。

对于具有三个行星轮的NGW型行星传动，常用的均载机构为基本构件浮动。由于太阳轮重量轻，惯性小，作为均载浮动件时浮动灵敏，结构简单，被广泛应用于中低速工况下的浮动均载，尤其是具有三个行星轮时，效果最为显著。因此在本文的风电增速箱中，两级NGW型行星传动中，均采用中心轮浮动的均载机构。

目前这些齿轮箱的适用范围为：发电功率200ＫＷ－1660ＫＷ，风力带动桨叶的转速为19—28.5r／min（齿轮箱的输入转速），增速齿轮箱的输出转速为1440—1520r／min（发电机转速），齿轮箱的速比范围为：Ｕ＝36—78（个别达到98）

其传动路线是；桨叶——传动轴——收缩套——行星架——太阳轮——第二级平行轴大齿轮——第二级平行轴小齿轮——第一级平行轴大齿轮——第一级平行轴小齿轮——发电机

齿轮箱的材料：外齿轮材料为优质低碳合金结构钢，如17CrNiMo6，内齿轮材料为42CrMoA，内齿圈磨齿，外齿轮渗碳淬火磨齿，精度在ＩＳＯ1328之６级以上，轴承全部为ＳＫＦ、ＦＡＧ、ＮＳＫ等进口轴承，且多为双列向心球面滚子轴承，单列园柱滚子轴承等。

齿轮箱类型主要有1p+2h(2Mw 以下）2p+1H(2Mw到6MW）winergy 5和6兆

瓦采用都是这种结构，对于混合传动的机型大多采用1p或2p的结构。

密封要疏而不堵, 这是设计密封的思路.

重点说点蚀:

１ 重载，齿面接触压力过大，工作是齿面温度过高，而且不均匀；

２ 润滑，润滑不充足，黏度太低，不能形成足够厚度的油膜，油喷的不均匀，油的种类不对，最好用合成油，油喷的位置不对；以及油的清洁度。 ３ 齿面硬度，一般小齿轮硬度应高于大齿轮２度，最好在５８－６２的范围内（国内有的是６４HRC）热处理后最好保留20%的残余噢实体。

4 齿形误差，比如齿定修行，推荐修形全部修道小齿轮上，并且变位，齿数不要低于20。

5 齿面光洁度，因为都是硬齿面传动，光洁度至少到0.8Ra或更好。 6 磨削烧伤

第三节 齿轮箱的主要零部件 一、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。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，进行退火、时效处理，以消除内应力。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，合理使用也能取得较好的结果。箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。

二、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联接所限，常制成轴齿轮的形式。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、17CrNiMc6、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。常用材料的力学性能表见表8-5。

（一）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5级GB/T10095-2001，内齿轮不低于6级GB/T10095-2001。选择齿轮精度时要综合考虑传动系统的实际需要，优秀的传动质量是靠传动装置各个组成部分零件的精度和内在质量来保证的，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HRC60＋/-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。渗碳淬火后获得较理想的表面残余应力，它可以使轮齿最大拉应力区的应力减小。因此对齿根部分通常保留热处理后的表面，在前道工序滚齿时要用齿形带触角的留磨量滚刀滚齿，从而在磨齿时不会磨去齿根部分。磨齿时选择合适的砂轮和切削用量，辅以大流量的切削冷却液是防止出现磨齿裂纹和烧伤的重要措施。对齿轮进

行超声波探伤、磁粉探伤和涂色探伤，以及进行必要的金相检验等，都是控制齿轮内在质量的有效措施。

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，可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。

圆柱齿轮的加工路线如下：

下料一锻造毛坯一荒车一预热处理一粗车一半精加工外形尺寸一制齿加工（滚齿或插齿）一去毛刺、齿顶倒棱、齿端倒角一热处理（渗碳淬火）一精加工基准面一磨齿一检验一清洗一入库。

加工人字齿的时候，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽；如是拼装入字轮，则分别将两半齿轮按普通齿轮加工，最后用工装准确对齿，再通过过盈配合套装在轴上。 4 齿轮与轴的联接

1）平键联接：常用于具有过盈配合的齿轮或联轴节的联接。由于键是标准件，故可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件进行选择。如果强度不够，可采用双键，成180’布置，在强度校核时按1.5个键计算。

2）花键联接：通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需用专用刀具加工。花键按其齿形不同，可分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三种。渐开线花键联接在承受负载时齿间的径向力能起到自动定心作用，使各个齿受力比较均匀，其加工工艺与齿致相同，易获得较高的精度和互换性，故在风力发电齿轮箱中应用较广。

3）过盈配合联接：过盈配合联接能使轴和齿轮（ 或联轴节）具有最好的对中性，特别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。利用零件间的过盈配合形成的联接，其配合表面为圆柱面或圆锥面（ 锥度可取1：30-1：8）。圆锥面过盈联接多用于载荷较大，需多次装拆的场合。

4）胀紧套联接：利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。

弹性套是在轴向压紧力的作用下，其锥面迫使被其套住的轴内环缩小，压紧被包容的轴颈，形成过盈结合面实现联接。弹性套材料多用65、65Mn、55CR2 或60Gr2 等钢材。弹性套的工作应力一般不应超过其材料的屈服极限，其强度和变形可根据圆锥面过盈联接公式计算。内外环与轴和毂孔的配合通常取H7/h6，配合表面粗糙度为Ra0.8-Ra0.2。联接表面的压力可按厚壁圆筒的有关公式计算。

轴的材料采用碳钢和合金钢。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA 等，常用的热处理方法为调质，而在重要部位作淬火处理。要求较高时可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi等优质低碳合金钢，进行渗碳淬火处理，获取较高的表面硬度和心部较高的韧性。

在风力发电齿轮箱上常采用的轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等。在所有的滚动轴承中，调心滚子轴承的承载能力最大，且能够广泛应用在承受较大负载或者难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。

通常在外圈上设有环形槽，其上有三个径向孔，用作润滑油通道，使轴承得到极为有效的润滑。轴承的套圈和滚子主要用铬钢制造并经淬火处理，具备足够的强度、高的硬度和良好的韧性和耐磨性。 第10章 行星齿轮机构设计

轮系：指由一系列齿轮所组成的齿轮传动系统。根据轮系传动时，各齿轮的轴线在空间的相对位置是否固定，可将轮系分为两类：定轴轮系和周转轮系。 定轴轮系：轮系中各齿轮的几何轴线位置固定。

周转轮系：轮系中有一个或一些齿轮的轴线不固定，而是绕着其它定轴齿轮的轴线回转的轮系。

周转轮系可分为行星轮系和差动轮系两类。

如图所示的行星轮系由行星齿轮、 行星架(系杆)、 中心轮等组成。

在行星轮系中, 活套在构件H上的齿轮2一方面绕自身的轴线O′O′回转, 同时又随构件H绕轮系主轴线(固定轴线)OO回转, 这种既有自转又有公转的齿轮称为行星轮。

H是支撑行星轮的构件, 称为行星架。 齿轮1和齿轮3的轴线与行星轮系固定的主轴线重合, 并且它们都与行星轮啮合, 称为中心轮, 用K表示。 行星轮系：周转轮系中有一个中心轮是固定的，故只有1个自由度。 行星齿轮机构是一种共轴式传动装置，其中心轮、 系杆都在同一轴线上回转，几个完全相同的行星轮均匀 分布在中心轮周围，属于机构自由度为1的周转轮系。

差动轮系：周转轮系中两个中心轮都能转动，故有两 个自由度。

行星齿轮机构与定轴齿轮相比，具有以下特点：

1）体积小、重量轻——充分利用内齿轮中部空间，输入输出轴在同一轴线上。 2）传动比大——系杆H转N转中心齿轮才转1转。 3）承载能力大，工作平稳——多个行星轮同时啮合。 4）减速器的效率可高达98%~99%——功率分路传递。 5）结构复杂，制造和安装精度高。 1）按基本构件的组成分类

行星齿轮根据基本构件的组成情况可分为三种传动型式：

二、行星齿轮机构各轮齿数和行星轮数的选择 1、配齿计算

为使行星轮系装配后能正常运转，并实现给定的传动比，各轮齿数和行星轮数必须满足下列四个条件：

例：2K-H行星齿轮机构的配齿条件

1）传动比条件 Z3=（i1H-1)Z1 2) 同心条件

为保证中心轮和系杆的回转轴心重合，必须满足同心条件： A12=A23

若采用标准齿轮、在标准安装条件下时，选择各齿轮齿数应满足的同心条件则为：

Z2=Z3-Z1/2=Z1（i1H-2)/2

由上式可知，只有在Z1和Z3同时为偶或奇数时，Z2才会是一个整数。 3）装配条件

为使第一个行星轮装好后，其余中心位置相应被确定的各均匀分布的行星轮轮齿，能同时插入内外两中心轮的齿槽中，行星轮数和各轮齿数应满足的装配条件为：

4) 邻接条件

相邻条件可根据为保证相邻行星齿轮齿顶圆不相交而应该留有的大于0.5mm的间隙推导得出：

2、齿数选择

行星齿轮机构设计除应满足上述条件外，还需考虑以下一些附加条件： 1）高速重载行星齿轮传动时，良好的工作平稳性。 2）中心轮应尽可能适当选择较多的齿数，以满足接触 强度的要求。

3）低速硬齿面齿轮，为减小传动尺寸和质量，应尽量 选择较少的齿数。

4）当用插齿刀或剃齿刀加工中心轮时，其中心轮的齿数 和刀具的齿数不应成倍数。

5）齿数大于100的质数齿齿轮应尽量少用。 三、行星齿轮机构的效率

当采用四个参数完全相同的圆柱齿轮和行星齿轮进行其效率和传动比评价时发现，行星齿轮机构的传动比远大于定轴齿轮机构，但效率相对却很低，且其效率随结构型式、传动比、主从件选择等的不同有很大差别。

定轴齿轮机构的效率是行星齿轮机构的400倍。 行星齿轮机构的传动比是定轴齿轮机构的近10000倍。 四、行星齿轮机构结构设计及应用

当几个相同的行星轮布置在中心轮的周围时，导致虚约束情况的产生。若齿轮及相关构件的加工精度和装配精度不好，将使各个行星轮所受载荷不均，降低机构承载能力和使用寿命。为此，必须合理选择适当的均载机构和零部件结构。 1、均载机构及其设计

1）均载机构的型式、特点及应用

使行星轮间载荷分配均匀的机构——均载机构。它具有提高承载能力，降低噪声，提高运转平稳和可靠性，相应降低机构加工和装配精度等优点。 常用均载机构如表10.2所示。 2）、设计选用均载机构应遵循的原则 （1） 质量小、受离心力影响小，浮动灵敏； （2）浮动构件受力大，均载效果好； （3）浮动件可以较小的位移量补偿不可避免的

制造误差

（4）具有缓冲和减振性能； （5）效率高；

（6）机构容易制造、结构简单。 2、行星轮和系杆的结构设计 1）行星轮的结构设计

行星轮结构取决于传动型式、传动比、轴承型号及 安装形式。其常用的行星轮结构如表10.3示。

轴承的安装：当传动比较大时，轴承一般安装在行星 轮孔内；当传动比较小时，轴承可安装在系杆上。 2）系杆的结构设计

系杆是行星齿轮机构的主要零件之一，行星轮心轴安装在系杆中。由于行星轮间载荷分配的均匀与否，在很大程度上取决于心轴位置的精确度。故，系杆是保证心轴位置精度、机构承载力，降低噪声和振动的基础。 设计系杆时，必须考虑其结构性和加工工艺性。

在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴和行星齿轮传动最为常见。

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为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。

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。通常采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，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，等等。 设计要求

（一）设计载荷

•设计载荷 •效率 •噪声级 •可靠性

•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、

阻尼值以及发电机的外部工作条件。

•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。当按照实测载荷谱计算时，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。 （二）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。齿轮箱的效率在不同的工况下是不一致的。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。 （三）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，进行齿形修圆，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；

–安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T83规定的

C级之内。 （四）可靠性

•按照假定的寿命最少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。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。

•在方案设计之初必须进行可靠性分析，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

四、齿轮箱的主要零部件 铸件类：机体、扭力臂、行星架 齿轮和轴类：内齿圈、齿轮、轴 标准件类：轴承、螺栓