1、大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計技術(shù)及軟件開發(fā)張和平張志宏劉忠明(鄭州機(jī)械研究所研發(fā)中心摘要:針對大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計制造中需要解決的主要問題和需要遵循的基本規(guī)范進(jìn)行較全面的闡述,并對鄭州機(jī)械研究所開發(fā)的專門用于風(fēng)電齒輪箱設(shè)計分析的軟件WinGear所具備的功能進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計技術(shù)軟件0 前言作為一種綠色再生資源,風(fēng)能的利用越來越得到各國政府的重視。截至2004年底,全球并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)47620MW,當(dāng)年新增8320MW,增幅21%,我國裝機(jī)總量764MW,當(dāng)年新增197MW,增幅34.7%。全球總裝機(jī)容量中,歐洲占73%、北美占17%,世界發(fā)達(dá)國家如丹麥的風(fēng)電已占全國

2、總電能的20%以上,預(yù)計到2020年,風(fēng)電將達(dá)到世界電力總量的12%。截至2004年底,我國有風(fēng)電場43個,累計裝機(jī)臺數(shù)1292臺,風(fēng)電電量占全球風(fēng)電總?cè)萘康?.4%,占全國電力總量的0.08%,可以預(yù)計我國目前已進(jìn)入爆炸式增長的拐點(diǎn)期。從單機(jī)容量來看,目前國際上基本采用兆瓦級機(jī)組,主流機(jī)型為1.5MW,常見機(jī)型為1.0-2.5MW,德國Repower公司生產(chǎn)的世界最大單機(jī)容量5MW樣機(jī)2005年2月已投入試運(yùn)行。國內(nèi)目前600kW及其以下機(jī)組技術(shù)已經(jīng)成熟,750kW機(jī)組近2年獲得快速發(fā)展,已成為國內(nèi)主流機(jī)型, 1MW機(jī)組處于樣機(jī)生產(chǎn)階段,國內(nèi)大型機(jī)組設(shè)計制造水平與國外先進(jìn)技術(shù)差距明顯。風(fēng)力發(fā)

3、電機(jī)組可分為無齒輪箱驅(qū)動的直聯(lián)式和齒輪箱驅(qū)動式兩種,目前,齒輪箱驅(qū)動型有一定的成本優(yōu)勢,仍是國際上采用的主流結(jié)構(gòu)型式。在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱布置在葉輪和發(fā)電機(jī)之間,它將葉輪受風(fēng)力作用旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電,同時將葉輪輸入的很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足發(fā)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速,因此,風(fēng)力發(fā)電齒輪箱是一種受無規(guī)律變向載荷的風(fēng)力作用及強(qiáng)陣風(fēng)沖擊的變載荷條件下工作的低速、重載、增速齒輪傳動。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在荒郊、野外、山口、海邊等風(fēng)能較大且周圍無遮擋物之處,發(fā)電機(jī)、齒輪箱等安裝在機(jī)組塔架之上狹小的機(jī)艙內(nèi),距地面幾十米高。常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響,自然環(huán)境惡劣,交通不便,齒輪箱一旦出現(xiàn)故障,修復(fù)十分困

4、難,而且故障期一般出現(xiàn)在發(fā)電的高峰期,將嚴(yán)重影響到風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)效益,因此,對齒輪箱的可靠性和工作壽命提出了很高的要求。我國于2003年9月頒布了GB/T19073-2003 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱19073標(biāo)準(zhǔn),對齒輪箱的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和儲存提出概括性要求;美國風(fēng)能協(xié)會(AWEA和齒輪協(xié)會(AGMA于2003年10月制定了新的風(fēng)機(jī)齒輪箱標(biāo)準(zhǔn)“Standard for Design and Specification of Gearbox for wind Turbines”,用于替代AGMA/AWEA 921-A97,并于2004年1月上升為美國國家標(biāo)準(zhǔn)

5、,即ANSI/AGMA/AWEA6006-A03(以下簡稱6006標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計、制造、使用等作了詳盡的規(guī)定,由于目前尚無相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn),AGMA6006被世界上許多國家采用,是風(fēng)電齒輪箱領(lǐng)域影響最大的一個標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合我國齒輪箱設(shè)計制造的具體情況和GB/T19073-2003及AGMA6006-A03標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,對大型風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了綜述,并介紹了相關(guān)軟件的功能。1 傳動方案設(shè)計由于齒輪箱安裝在距地面幾十米高塔架之上狹小的機(jī)艙內(nèi),其本身的體積和重量將會直接對機(jī)艙、塔架、基礎(chǔ)、機(jī)組風(fēng)載等造成較大的影響,因此,在滿足可靠性和工作壽命的要求的前提下,應(yīng)以追求最小體積

6、、最小重量為目標(biāo),進(jìn)行傳動方案的比較和優(yōu)化。傳動方案的設(shè)計原則是以滿足傳遞功率和空間限制為前提,盡量考慮簡單、可靠、維修方便。由于尺寸和重量與可靠性往往是一對不可調(diào)和的矛盾,因此,風(fēng)電齒輪箱的傳動方案設(shè)計顯得尤為重要。國內(nèi)目前仍以仿制為主,自主開發(fā)能力不夠。1齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)速一般為20 r/min左右,大型機(jī)組隨著風(fēng)輪直徑的加大,額定工作風(fēng)速逐漸降低,兆瓦以上級機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速一般不超過20 r/min。另一方面,發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為1520 r/min,因此,齒輪箱的速比一般在80左右,單機(jī)功率增加時,速比將更大,例如,Repower公司的5MW機(jī)組的速比為97。為了減小齒輪箱的體積,通常采

7、用功率分流結(jié)構(gòu)。500kW以上機(jī)組均采用行星齒輪傳動,500kW1000kW 常見結(jié)構(gòu)有2級平行軸+1級行星和1級平行軸+2級行星兩種結(jié)構(gòu);兆瓦級機(jī)組大多采用2級平行軸+1級行星結(jié)構(gòu)。由于行星傳動結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,而且大型內(nèi)齒圈加工困難,即使采用2級行星傳動,也以NW型最為常見。19073標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪箱的工作環(huán)境溫度為 4050,齒輪箱最高溫度不得大于80,機(jī)械效率應(yīng)大于97%,噪聲應(yīng)不大于85dB,機(jī)械振動應(yīng)滿足GB8543中C級要求,19073標(biāo)準(zhǔn)和6006標(biāo)準(zhǔn)都要求齒輪箱正常工作壽命不小于20年,但也有資料要求風(fēng)功率密度4級時為20年,3級時為30年。2 主要零部件設(shè)計和制造要求2.1齒輪1

8、. 設(shè)計及計算設(shè)計時應(yīng)充分注意增速傳動與減速傳動的區(qū)別,變位系數(shù)的選擇應(yīng)有利于降低滑差,應(yīng)根據(jù)載荷情況作必要的齒形和齒向修正,內(nèi)齒圈輪緣厚度應(yīng)不小于3倍的模數(shù),外齒輪均采用滲碳淬火+磨齒工藝,材料熱處理等級不低于MQ,齒輪精度不低于5級;與傳統(tǒng)行星傳動不同,內(nèi)齒圈的強(qiáng)度往往成為風(fēng)電齒輪箱的薄弱環(huán)節(jié),國外一般采用斜齒內(nèi)齒輪+滲碳淬火+磨齒工藝。但由于國內(nèi)大型內(nèi)斜齒制齒加工困難,內(nèi)齒磨齒成本較高,國內(nèi)通常采用直齒+氮化工藝,與國外產(chǎn)品在設(shè)備可靠性、重量等方面存在一定差距。國內(nèi)在不具備斜齒加工的條件下,也應(yīng)盡量采用滲碳磨齒工藝。即使在保證內(nèi)齒圈強(qiáng)度的條件下,采用氮化工藝時內(nèi)齒圈的精度也不應(yīng)低于7級。

9、齒輪疲勞強(qiáng)度計算時應(yīng)按用戶提供的載荷譜作為載荷計算基礎(chǔ)。但往往載荷譜很難得到,因此,齒輪的強(qiáng)度計算仍要依據(jù)使用系數(shù)和額定功率來進(jìn)行,6006標(biāo)準(zhǔn)未明確無實(shí)測載荷譜時的計算方法?？紤]到機(jī)械效率,齒輪箱的額定功率一般為發(fā)電機(jī)的110%左右,但由于風(fēng)電齒輪箱載荷的變化十分復(fù)雜,而且,齒輪箱往往也不是常年工作,因此,按GB/T3480計算時,直接按1.1倍的電機(jī)額定功率再乘以K a再乘以增速傳動的1.1倍作為強(qiáng)度的計算功率也不盡科學(xué)。一般來講,齒輪強(qiáng)度計算時都會根據(jù)現(xiàn)場情況及設(shè)計經(jīng)驗(yàn),確定一個當(dāng)量功率來作為強(qiáng)度計算的計算功率。表1齒輪強(qiáng)度計算方法對比19073標(biāo)準(zhǔn)6006標(biāo)準(zhǔn)計算標(biāo)準(zhǔn)*GB/T3480

10、 AGMA2001 ISO6336有實(shí)測載荷譜 1.0 按附錄H計算K A無實(shí)測載荷譜(三葉 1.3有實(shí)測載荷譜1.2 1.0 1.25 S Hmin無實(shí)測載荷譜1.3有實(shí)測載荷譜1.5 1.0 1.56 S Fmin無實(shí)測載荷譜1.7注:GB/T3480等效采用ISO6336;AGMA2001的米制標(biāo)準(zhǔn)為AGMA2101同時,6006規(guī)定動載系數(shù)Kv應(yīng)不小于 1.05,齒向載荷分布系數(shù)KH不小于1.15。在AGMA6006制定過程中,美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL曾委托GEARTECH公司對ISO6336和AGMA2001進(jìn)行了大量對比研究,試圖找到一個二者之間的直接對應(yīng)關(guān)系,經(jīng)深入研究并

11、對18對風(fēng)電齒輪箱齒輪進(jìn)行了對比計算,得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1 2個標(biāo)準(zhǔn)的接觸強(qiáng)度計算方法基于相似的分析模型,變位系數(shù)、螺旋角和壓力角對承載能力的影響趨勢基本一致,但2001對變位系數(shù)和螺旋角的敏感性更高,6336對壓力角的敏感性更高;(2 2個標(biāo)準(zhǔn)彎曲強(qiáng)度的分析模型不同,變位系數(shù)、螺旋角和壓力角對承載能力的影響趨勢不盡相同。2001對3個參數(shù)的敏感程度都高于6336;23 (3 AGMA2001和ISO6336確定的承載能力大小與變位系數(shù)、螺旋角和壓力角有關(guān),不存在一個定值系數(shù)能實(shí)現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換;(4 18個算例中,6336計算的安全系數(shù)都大于2001的計算值,接觸強(qiáng)度安全系數(shù)大致差1.25倍

12、,彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)大致差1.56倍。2.制造6006對齒輪質(zhì)量控制及檢驗(yàn)程序作了嚴(yán)格的規(guī)定,并要求外齒輪齒面粗糙度不超過R a 0.8,內(nèi)齒輪不超過R a 1.6,推薦值為:高速級齒輪R a 0.7,中間級R a 0.7,低速級R a 0.6,低速級太陽輪和行星輪R a 0.5。2.2 軸承1. 選型原則由于風(fēng)電系統(tǒng)工作的特殊性和載荷的復(fù)雜性,軸承在風(fēng)電齒輪箱中是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,早期風(fēng)電齒輪箱故障大多是由于軸承引起的,隨著現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的增多,目前軸承引起的故障明顯降低,但仍約有50%的故障是因軸承出現(xiàn)問題造成的,因此,風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造時,應(yīng)對軸承的選型、潤滑方式及潤滑油的清潔度

13、及壽命計算等方面給與足夠的重視。軸承的選擇主要應(yīng)由其所受載荷的大小、方向、轉(zhuǎn)速、調(diào)心性能等因素決定,還應(yīng)兼顧到零部件的具體結(jié)構(gòu)及要求。一般情況下,載荷方面:當(dāng)軸承承受純軸向載荷時應(yīng)選推力軸承或能承受較大軸向力的圓錐滾子軸承等;當(dāng)軸承承受純徑向載荷時應(yīng)選向心軸承;當(dāng)軸承承受的軸向載荷和徑向載荷比值較小時應(yīng)選向心球軸承、向心球面軸承或接觸角較小的向心推力軸承;當(dāng)軸承承受的軸向載荷和徑向載荷比值較大時,應(yīng)選接觸角較大的向心推力軸承,或?qū)⑾蛐妮S承和推力軸承組合在一起,分別承受徑向載荷和軸向載荷,這時結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分保證向心軸承不受軸向載荷作用。轉(zhuǎn)速方面:軸承的極限轉(zhuǎn)速和軸承的具體結(jié)構(gòu)、工作時的溫升等多方

14、面因素有關(guān),設(shè)計時在無充分理由條件下,應(yīng)使軸承的工作轉(zhuǎn)速低于其極限轉(zhuǎn)速,球軸承相對滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速;實(shí)體保持架比沖壓保持架允許有較高的轉(zhuǎn)速。調(diào)心方面:軸承的調(diào)心性能因其類型的不同有很大的差別,單列錐軸承的允許偏斜角約為向心球面軸承的1/60,應(yīng)結(jié)合軸的具體結(jié)構(gòu)和變形進(jìn)行綜合考慮。另外,由于風(fēng)電齒輪箱有較高的效率要求,因此,設(shè)計中也要充分考慮到不同類型軸承工作效率的不同,一般情況下,球軸承的摩擦阻力小于滾子軸承;純徑向載荷時向心軸承摩擦阻力小,純軸向載荷時推力軸承有較小的摩擦阻力;軸向載荷和徑向載荷聯(lián)合作用時,載荷角(外力與軸承半徑方向的夾角與軸承的接觸角越接近,阻力越小。軸承支點(diǎn)反力計

15、算時,應(yīng)考慮軸所受的軸向力、徑向合力、力偶的作用,角接觸軸承和錐軸承還應(yīng)考慮附加軸向力的影響。軸承的當(dāng)量載荷計算應(yīng)根據(jù)軸承類型的不同按相應(yīng)的公式進(jìn)行,在選擇角接觸軸承和錐軸承時,應(yīng)盡量使所選軸承的接觸角和軸承所受外力的載荷角接近。2. 軸承壽命的計算1 靜承載能力19073規(guī)定軸承在最大載荷下的靜承載能力安全系數(shù)應(yīng)不小于2.0,標(biāo)準(zhǔn)未給出最大載荷的定義;6006規(guī)定軸承的靜安全系數(shù)在最大運(yùn)行載荷下不小于3.0,在極限載荷下不小于2.0,并對最大載荷和極限載荷給出了明確的定義。2 額定壽命計算軸承壽命計算時其壽命失效概率一般為10%?？煽啃砸蟛煌瑫r,應(yīng)采用可靠度系數(shù)對額定壽命進(jìn)行修正。1907

16、3和6006都同時強(qiáng)調(diào)當(dāng)量動負(fù)荷的計算應(yīng)以載荷譜為準(zhǔn),按Miner 準(zhǔn)則進(jìn)行計算。我國軸承額定壽命計算標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6391-2003等效采用ISO 281:1990,標(biāo)準(zhǔn)提供了軸承基本額定壽命和修正額定壽命的計算公式。世界著名的軸承生產(chǎn)企業(yè)也根據(jù)各自的研究成果提出了不同的修正額定壽命的計算方法,如SKF 公司、TIMKEN 公司等。這些計算方法采用的基本額定壽命計算方法完全相同,但修正壽命計算公式大同小異,但具體計算方法不盡相同。(1 基本額定壽命(各類方法相同軸承的基本額定壽命L 10為6101060C L P n = (1式中:10L :90%可靠度時軸承的壽命,h4 C :軸承額定動載

17、荷,NP :軸承當(dāng)量動載荷,N:指數(shù),與軸承滾動體有關(guān),滾動體為球時3=,滾動體為圓柱時103= n :軸承轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)/分(2 修正額定壽命當(dāng)要求軸承有更高的可靠度,或者希望更精確、更完善考慮軸承質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)條件對其壽命的影響時,應(yīng)采用修正額定壽命nm L ,nm L 表示可靠度在(100-n%時的壽命。a. GB/T6391-2003(ISO281:1990計算方法110nm XYZ L a a L =(2 式中 1a 可靠度壽命修正系數(shù),與要求的可靠度有關(guān),可靠度越高,1a 越小。 11100ln 100ln 90eR a =(3 式中R 為可靠度,e 為威布爾指數(shù),一般可取 1.5e =XY

18、Z a 壽命修正系數(shù),是一個多因素影響系數(shù),除了軸承類型的影響外,還包括材料、潤滑、環(huán)境、雜質(zhì)顆粒、套圈中內(nèi)應(yīng)力、安裝方式、軸承載荷等因素。標(biāo)準(zhǔn)并未給出該系數(shù)的具體計算方法。b. TIMKEN(鐵木肯計算方法123410nm L a a a a L =(4式中 1a 可靠性修正系數(shù) 2311004.48ln a R = (5式(5是式(3當(dāng) 1.5e =時的一個特例。2a 軸承材料修正系數(shù)。一般取2a =13a 運(yùn)行條件修正系數(shù)333333k l m d p a a a a a a =(6 4a 有效壽命修正系數(shù)。當(dāng)允許疲勞剝落體6mm 2時,2a =13k a 負(fù)荷區(qū)域修正系數(shù),是軸承系統(tǒng)內(nèi)

19、在游隙或預(yù)負(fù)荷的函數(shù),負(fù)荷區(qū)域大于180°時3k a =1。 3l a 潤滑修正系數(shù)3l g l j s v a C C C C C =g C 幾何系數(shù)。與軸承型號有關(guān)l C 負(fù)荷系數(shù)。0.3131l a C F =a F 為計算得到的推力負(fù)荷j C 負(fù)荷區(qū)域系數(shù)。當(dāng)負(fù)荷區(qū)域等于180°時,0.69j C =s C 速度系數(shù)。取決于內(nèi)外圈相對轉(zhuǎn)速(r/min,C s = (轉(zhuǎn)速0.6136v C 粘度系數(shù)。取決于潤滑油的動力粘度(cst,C v = (動力粘度0.71363m a 偏斜修正系數(shù)。與軸承內(nèi)外圈的傾斜有關(guān),偏斜0.0005弧度時31m a =3d a 清潔度修正

20、系數(shù)。當(dāng)潤滑油的清潔度為15/12時31d a =3p a 低載荷修正系數(shù)。當(dāng)軸承的接觸應(yīng)力較低時,其疲勞壽命會增加。Timken 方法比較復(fù)雜,部分系數(shù)一般設(shè)計人員難以確定,此時應(yīng)向鐵木肯公司查詢。c. SKF 計算方法110nm SKF L a a L =(7 式中 1a 可靠性修正系數(shù),計算方法與TIMKEN 相同SKF a SKF 壽命修正系數(shù)。其值與軸承類型、運(yùn)行溫度、潤滑油的粘度、軸承尺寸等因素有關(guān),SKF給出了系數(shù)計算圖表可供查取,a的最大值可達(dá)50。SKF3. 風(fēng)電齒輪箱的軸承壽命按齒輪箱的額定壽命為20年的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),GB/T19073規(guī)定軸承的修正額定壽命不小于130000h

21、,但在GB/T6391修正額定壽命計算方法中,并未給出a的具體計算過程,因此,一般設(shè)計人員難以完成軸承XYZ的修正額定壽命計算。鑒于此AGMA6006標(biāo)準(zhǔn)仍以軸承的基本額定壽命作為判據(jù),規(guī)定齒輪箱各處軸承的壽命應(yīng)滿足下表所列數(shù)值:表2軸承的最小基本額定壽命L10軸承位置高速軸高速中間軸低速中間軸行星輪軸低速軸壽命/小時30000 40000 80000 100000 100000除壽命外,AGMA6006還對軸承當(dāng)量靜負(fù)荷時的最大接觸應(yīng)力作了規(guī)定,見表3。并給出了p的計max算方法。表3 軸承的最大接觸應(yīng)力P max軸承位置高速軸高速中間軸低速中間軸行星輪軸最大接觸應(yīng)力/MPa 1300 16

22、50 1650 1450表2和表3中的數(shù)值是基于20的壽命得到的,設(shè)計壽命不同時,表中數(shù)據(jù)應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。實(shí)際應(yīng)用時由于國家標(biāo)準(zhǔn)未提供切實(shí)可用的修正額定壽命計算方法,而各公司提供的計算方法一般設(shè)計人員很難掌握,因此,要計算出較準(zhǔn)確地修正額定壽命不是一件容易的事情,而且計算表明絕大多數(shù)軸承的基本額定壽命很難達(dá)到130000小時,因此,國家標(biāo)準(zhǔn)提供的軸承計算方法的可操作性不如AGMA6006簡單。表4為作者對某型號風(fēng)電齒輪箱高速軸軸承壽命計算2種方法的對比。圖1和圖2分別為該算例中運(yùn)行溫度和轉(zhuǎn)速對a的影響(其他參數(shù)不變。SKF表4軸承壽命計算ISO281方法SKF計算方法位置方位C/ kN P/kNL

23、10/h a SKF L10/h 左軸承325 29.017 56,050 17.9 >1000000 高速軸右軸承523 46.939 55,160 12.5 689500圖1 運(yùn)行溫度對a SKF的影響圖2 轉(zhuǎn)速對a SKF的影響計算表明,軸承的運(yùn)行溫度、潤滑油的粘度及清潔度及轉(zhuǎn)速等對a的數(shù)值有很大影響。運(yùn)行狀態(tài)變SKF差時(溫度上升、轉(zhuǎn)速降低、污染物增多,壽命修正系數(shù)會快速下降,甚至 1.0a<。因此,應(yīng)對風(fēng)電齒SKF輪箱的運(yùn)行溫度、潤滑油清潔度進(jìn)行嚴(yán)格控制和監(jiān)控。3.3箱體和行星架箱體和行星架是齒輪箱的重要部件,對整臺設(shè)備的安全運(yùn)行和重量有重要影響,設(shè)計制造時應(yīng)考慮以下幾方

24、面的問題:(1 強(qiáng)度和剛度。箱體和行星架首先應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,以減少受力狀態(tài)下的變形;箱體和行星架因其形狀不規(guī)則、受力不勻等因素造成各處應(yīng)力和應(yīng)變的分布不均勻,設(shè)計不合理時,可能會造成局5部變形過大、應(yīng)力集中等不良影響。由于較準(zhǔn)確的計算十分困難，因此在這類零件設(shè)計中，應(yīng)參考類似用 途、相近功率、相近尺寸和結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有設(shè)備，初步確定箱體和行星架的主要結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、壁厚、連接 形式和結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行有限元分析，以得到最佳的結(jié)構(gòu)和尺寸。 (2 材料。箱體和行星架主要分焊接結(jié)構(gòu)和鑄造結(jié)構(gòu)，焊接結(jié)構(gòu)一般用于單件和小批量生產(chǎn)，具有缺 陷少、生產(chǎn)周期短、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。材料常用 Q235、Q345 等焊

25、接性能良好的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu) 鋼，焊后應(yīng)去應(yīng)力退火，重要焊縫應(yīng)探傷檢查。鑄造結(jié)構(gòu)具有批量生產(chǎn)時成本較低，剛性好、加工后變形 小等優(yōu)點(diǎn)，材料常用 QT400-18、QT450-10、QT700、ZG200-400、ZG230-450 等，同時應(yīng)考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組的具體工作環(huán)境，對高寒地區(qū)工作的機(jī)組，應(yīng)選用低溫狀態(tài)下機(jī)械性能良好的材料。 (3 加工。箱體和行星架的加工精度對齒輪傳動的嚙合質(zhì)量和軸承壽命有十分重要的影響，因此，箱 體和行星架加工時應(yīng)對加工工藝進(jìn)行仔細(xì)研究，并盡量采用高精度的加工機(jī)床來保證加工精度。行星架精 加工后還需進(jìn)行靜平衡。 3 潤滑、冷卻和加熱系統(tǒng) 齒輪箱的潤滑、冷卻和加

26、熱系統(tǒng)對齒輪箱的正常工作具有十分重要的意義，大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱必須 配備可靠的強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)，對齒輪嚙合區(qū)、軸承等進(jìn)行噴油潤滑。齒輪箱正常工作時的最高油溫不應(yīng)超過 80，不同軸承間的溫差不應(yīng)超過 15。當(dāng)油溫高于 65時，冷卻系統(tǒng)開始工作；當(dāng)油溫低于 10啟動 時，應(yīng)首先將潤滑油加熱到預(yù)定溫度后再開機(jī)。 齒輪箱一般選用稀油潤滑，若在高寒低溫地區(qū)使用時，應(yīng)對油品的低溫使用性能給予充分考慮。選用 的潤滑油應(yīng)具有較高的粘度指數(shù)和良好的極壓性能。目前常用的有 MOBIL632，MOBIL630 和 GB5903-95 中 L-CKC320，L-CKC220 齒輪油。 齒輪箱中齒輪、軸承潤滑和冷卻一般采用

27、飛濺、噴淋和強(qiáng)制相結(jié)合的潤滑冷卻方式，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以 各潤滑點(diǎn)得到足夠的潤滑并維持系統(tǒng)的熱平衡為目標(biāo)。潤滑管路的設(shè)計應(yīng)保證潤滑油能以預(yù)定的流量到達(dá) 各潤滑點(diǎn)。潤滑冷卻系統(tǒng)應(yīng)有濾清器、油流傳感器、散熱器、壓差傳感器、高低溫測溫傳感器等，以滿足 系統(tǒng)正常工作的需要；應(yīng)設(shè)置旁路系統(tǒng)，需要時使?jié)櫥屯ㄟ^旁路直接循環(huán)；應(yīng)使齒輪箱內(nèi)有一定的循環(huán) 油量，保證油泵正常工作；潤滑管路各連接應(yīng)可靠，不得出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，回油管路應(yīng)通暢。 6006 規(guī)定在軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 60 分鐘內(nèi)若軸承外圈的溫度超過 105的時間超過 10 分鐘就應(yīng)該停車。軸 承外圈的最高溫度不應(yīng)超過 95，對有些潤滑油，這個溫度極限還應(yīng)降低。 4

28、型式試驗(yàn) 所有的風(fēng)電齒輪箱均應(yīng)進(jìn)行空載、加載試驗(yàn)。新產(chǎn)品和重大改型產(chǎn)品還必須進(jìn)行型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn) 應(yīng)由具備相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行。 (1 空載試驗(yàn) 在額定轉(zhuǎn)速下正、反兩方向運(yùn)轉(zhuǎn)不小于 1h，要求：連接件、緊固件不松動；密封處結(jié)合處不滲油、不 漏油；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無沖擊；潤滑充分，檢查軸承和油池溫度，每 5 分鐘記錄一次油壓、油溫。在額定轉(zhuǎn)速， 油溫穩(wěn)定在 4565，空載工況下還要測定齒輪箱的功率損耗。 (2 性能試驗(yàn) 空載試驗(yàn)合格后， 在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行逐級加載試驗(yàn)。 按規(guī)定 25%、 50%、 75%的額定負(fù)載各運(yùn)轉(zhuǎn) 30min。 按 100%額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn) 120min，按 110%超負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn) 30min(可根據(jù)具體情況確定加載步驟，要求在正常運(yùn) 轉(zhuǎn)情況下每隔 10 min 測定并記錄一次轉(zhuǎn)速、負(fù)載(扭矩、油溫、油壓及各軸承擋外殼溫度；在額定轉(zhuǎn)速和 100%額定負(fù)載下，測定齒輪箱的噪聲、振動；齒輪接觸斑點(diǎn)、輪齒齒面狀況檢查。 5 軟件開發(fā) 目前國內(nèi)外尚無商業(yè)化的風(fēng)電齒輪箱專用軟件，鄭州機(jī)械研究所積 50 年齒輪研究、開發(fā)之成果和經(jīng) 6 驗(yàn)， 開發(fā)了專門