[科普中国]-齿轮箱

简介

齿轮箱承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力，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。齿轮箱箱体的设计应按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。随着齿轮箱行业的不断飞速发展，越来越多的行业和不同的企业都运用到了齿轮箱，也有越来越多的企业在齿轮箱行业内发展壮大。

齿轮箱根据单元结构模块化设计原理，大大的减少了零部件种类，适合大规模生产及灵活多变的选型。减速器螺旋锥齿轮、斜齿轮均采用优质合金钢渗碳淬火，齿面硬度高达60±2HRC，齿面磨削精度高达5－6级。

传动部位轴承均选用国内知名品牌轴承或进口轴承，密封件选用骨架油封；吸音箱体结构、较大的箱体表面积和大风扇；使整机的温升、噪音降低，运转的可靠性得到提高，传递功率增大。可实现平行轴、直交轴、立式、卧式通用箱体，输入方式有电机联接法兰、轴输入；输出轴可直角或水平输出，备有实心轴和空心轴、法兰盘式输出轴。使齿轮箱满足狭小空间的安装要求，也可按客户需求供货。其体积比软齿减速箱小1/2，重量减轻一半，使用寿命提高3~4倍，承载能力提高8~10倍。广泛应用于印刷包装机械、立体车库设备、环保机械、输送设备、化工设备、冶金矿山设备、钢铁电力设备、搅拌设备、筑路机械、制糖工业、风力发电、扶梯电梯驱动、船舶领域、轻工领域、造纸领域、冶金行业、污水处理、建材行业、起重机械、输送线、流水线等大功率，大速比，高扭矩的场合。具有良好性价比、有利于国产化设备的配套。

作用齿轮箱有如下的作用：

1、加速减速,就是常说的变速齿轮箱。

2、改变传动方向，例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴。

3、改变转动力矩。同等功率条件下，速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小，反之越大。

4、离合功能：我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的。比如刹车离合器等。

5、分配动力。例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从而实现一台发动机带动多个负载的功能。

设计与其它工业齿轮箱相比，由于风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至一百多米高的狭小机舱内，其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组风载、安装维修费用等都有重要影响，因此，减小外形尺寸和减轻重量显得尤为重要。同时，由于维修不便、维修成本高，通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对可靠性的要求也极其苛刻。由于尺寸和重量与可靠性往往是一对不可调和的矛盾，因此风电齿轮箱的设计制造往往陷入两难的境地。总体设计阶段应在满足可靠性和工作寿命要求的前提下，以最小体积、最小重量为目标进行传动方案的比较和优化；结构设计应以满足传递功率和空间限制为前提，尽量考虑结构简单、运行可靠、维修方便；在制造过程的每一个环节应确保产品质量；在运行中应对齿轮箱运行状态(轴承温度、振动、油液温度及品质变化等)进行实时监测并按规范进行日常维护。

由于叶尖线速度不能过高，因此随着单机容量的增大，齿轮箱的额定输入转速逐渐降低，兆瓦以上级机组的额定转速一般不超过20r/min。另一方面，发电机的额定转速一般为1500或1800r/min，因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在75～100左右。为了减小齿轮箱的体积，500kw以上的风电增速箱通常采用功率分流的行星传动；500kw～1000kw常见结构有2级平行轴+1级行星和1级平行轴+2级行星传动两种形式；兆瓦级齿轮箱多采用2级平行轴+1级行星传动的结构。由于行星传动结构相对复杂，而且大型内齿圈加工困难，成本较高，即使采用2级行星传动，也以NW传动形式最为常见1。

制造技术风电齿轮箱的外齿轮一般采用渗碳淬火磨齿工艺。高效高精度数控成型磨齿机的大量引进，使我国外齿轮精加工水平与国外没有太大的差距，达到19073标准和6006标准规定的5级精度技术上没有困难。但我国在热处理变形控制、有效层深控制、齿面磨削回火控制、轮齿修形工艺等方面与国外先进技术仍有差距。

由于风电齿轮箱齿圈尺寸大、加工精度要求高，我国的内齿圈制造技术与国际先进水平相比差距较大，主要体现在斜齿内齿轮的制齿加工、热处理变形控制等方面。

箱体、行星架、输入轴等结构件的加工精度对齿轮传动的啮合质量和轴承寿命等都有十分重要的影响，装配质量的好坏也决定了风电齿轮箱寿命的长短和可靠性的高低。我国在结构件的加工和装配精度等方面从重要性认识到装备水平都与国外先进水平有一定差距。高品质、高可靠性风电齿轮箱的获得，除了先进的设计技术和必要的制造装备支撑外，离不开制造过程每一个环节的严格质量控制。6006标准对齿轮箱的质量保证进行了严格详细的规定1。

润滑常用的齿轮箱润滑方式有齿轮油润滑，半流体润滑脂润滑，固体润滑剂润滑几种方式。对于密封比较好，转速较高，负荷大，封闭性能好的可以使用齿轮油润滑；对于密封性不好，转速较低的可以使用半流体润滑脂润滑；对于禁油场合或高温场合可以使用二硫化钼超微粉润滑。

齿轮箱的润滑系统对齿轮箱的正常工作具有十分重要的意义，大型风力发电齿轮箱必须配备可靠的强制润滑系统，对齿轮啮合区、轴承等进行喷油润滑。在齿轮箱失效的原因中，润滑不足占去了一大半。润滑油温度关系到部件疲劳和整个系统的寿命。—般来说齿轮箱正常工作时的最高油温不应超过80℃，不同轴承间的温差不应超过15℃。当油温高于65℃时，冷却系统开始工作；当油温低于10℃启动时，应首先将润滑油加热到预定温度后再开机。

在夏季，由于风电机组长时间处于满发状态，加上高空阳光直射等，油品的运行温度上升超过设定值；而在东北严寒地区冬季使用时，最低温度经常达到一30℃以下，润滑管路中润滑油流动不畅，齿轮、轴承润滑不充分，造成齿轮箱高温停机，齿面、轴承磨损，另外温度低也会使齿轮箱油粘度增加，油泵启动时负载较重，油泵电机过载。

齿轮箱润滑油都有工作的最佳温度范围，建议给齿轮箱润滑系统上设计一个润滑油热管理系统：当温度超过一定值时冷却系统开始工作，当温度低于一定值时加热系统开始工作，始终把温度控制在最佳范围内。另外，提高润滑油的质量也是润滑系统必须考虑的重要方面，润滑剂产品必须具有极好的低温流动性和高温稳定性，要加强对高性能润滑油的研究2。

轴承寿命统计数据表明，风电齿轮箱故障仍约有50%的故障与轴承的选型、制造、润滑或使用有关。目前，由于技术条件落后等原因，国内兆瓦级以上机组的核心部件如电机、齿轮箱、叶片、电控设备和偏航系统等，很多都依靠进口，而应用于这些大型风电机组中的齿轮箱轴承、偏航轴承、变桨轴承及主轴轴承更是完全依靠进口。因此，较为精确的轴承寿命计算方法对风电齿轮箱的设计显得尤为重要。

由于对轴承要求的高可靠性，通常轴承的使用寿命应不小于13万小时。而由于影响轴承疲劳寿命的因素太多，轴承疲劳寿命理论还仍需不断完善，国内外轴承寿命理论并没有一个统一的，为所有行业所接受的计算方法。

轴承的运行温度、润滑油的黏度和清洁度及转速等因素对轴承寿命有很大影响，运行状态变差(温度上升、转速降低、污染物增多)时，轴承寿命可能大幅度降低。对影响风电齿轮箱轴承寿命的各种因素进行深入分析，研究出较为精确的轴承寿命计算方法是国内轴承行业乃至风电行业的重中之重3。

用途1.加速减速,就是常说的变速齿轮箱.

2.改变传动方向,例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴.

3.改变转动力矩.同等功率条件下,速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小,反之越大.

4.离合功能: 我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的.比如刹车离合器等.

5.分配动力.例如我们可以用一台发动机,通过齿轮箱主轴带动多个从轴,从而实现一台发动机带动多个负载的功能.

噪音处理齿轮箱是机械传动中广泛应用的重要部件，一对齿轮啮合时，由于不可避免地存在着齿距、齿形等误差，在运转过程中会产生啮合冲击而发生与齿轮啮合频率相对应的噪声，齿面之间由于相对滑动也发生摩擦噪声。由于齿轮是齿轮箱传动中的基础零件，降低齿轮噪声对控制齿轮箱噪声十分必要。一般来说，齿轮系统噪声发生的原因主要有以下几个方面：

1.齿轮设计方面。 参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。齿轮加工方面 基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等。

2. 齿轮系及齿轮箱方面。装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴，轴承、支承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。

3. 其他方面输入扭矩。负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其它传动副的平衡情况等。