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風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱概述
第一節(jié) 概述
風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機組的總體布置要求，有時將與風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置，配合葉尖制動（定漿距風(fēng)輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統(tǒng)進行聯(lián)合制動。
由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，受無規(guī)律的變向變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響，加之所處自然環(huán)境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。例如對構(gòu)件材料的要求，除了常規(guī)狀態(tài)下機械性能外，還應(yīng)該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性；應(yīng)保證齒輪箱平穩(wěn)工作，防止振動和沖擊；保證充分的潤滑條件，等等。對冬夏溫差巨大的地區(qū)，要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設(shè)置監(jiān)控點，對運轉(zhuǎn)和潤滑狀態(tài)進行遙控。
不同形式的風(fēng)力發(fā)電機組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結(jié)構(gòu)也因此而異。在風(fēng)電界水平軸風(fēng)力發(fā)電機組用固定平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動最為常見。
如前所述，風(fēng)力發(fā)電受自然條件的影響，一些特殊氣象狀況的出現(xiàn)，皆可能導(dǎo)致風(fēng)電機組發(fā)生故障，而狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎(chǔ)，整個傳動系的動力匹配和扭轉(zhuǎn)振動的因素總是集中反映在某個薄弱環(huán)節(jié)上，大量的實踐證明，這個環(huán)節(jié)常常是機組中的齒輪箱。因此，加強對齒輪箱的研究，重視對其進行維護保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。
第二節(jié) 設(shè)計要求
設(shè)計必須保證在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)簡化并且重量最輕。通常應(yīng)采用CAD優(yōu)化設(shè)計，排定最佳傳動方案，選用合理的設(shè)計參數(shù)，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境極端溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料，等等。
一、 設(shè)計載荷
齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。
風(fēng)力發(fā)電機組載荷譜是齒輪箱設(shè)計計算的基礎(chǔ)。載荷譜可通過實測得到，也可以按照J(rèn)B/T10300標(biāo)準(zhǔn)計算確定。當(dāng)按照實測載荷譜計算時，齒輪箱使用系數(shù)KA＝1。當(dāng)無法得到載荷譜時，對于三葉片風(fēng)力發(fā)電機組取KA=1.3。
二、設(shè)計要求
風(fēng)力發(fā)電機組增速箱的設(shè)計參數(shù)，除另有規(guī)定外，常常采用優(yōu)化設(shè)計的方法，即利用計算機的分析計算，在滿足各種限制條件下求得最優(yōu)設(shè)計方案。
（一） 效率
齒輪箱的效率可通過功率損失計算或在試驗中實測得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤滑油飛濺和攪拌損失、風(fēng)阻損失、其它機件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。
風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪箱的機械效率應(yīng)大于97%，是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達到的指標(biāo)。
（二） 噪聲級
風(fēng)力發(fā)電增速箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)為85dB（A）左右。噪聲主要來自各傳動件，故應(yīng)采取相應(yīng)降低噪聲的措施：
1. 適當(dāng)提高齒輪精度，進行齒形修緣，增加嚙合重合度；
2. 提高軸和軸承的剛度；
3. 合理布置軸系和輪系傳動，避免發(fā)生共振；
4. 安裝時采取必要的減振措施，將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規(guī)定的C級之內(nèi)。
（三） 可靠性
按照假定壽命最少20年的要求，視載荷譜所列載荷分布情況進行疲勞分析，對齒輪箱整機及其零件的設(shè)計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進行極限強度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動力學(xué)分析等。分析方法除一般推薦的設(shè)計計算方法外，可采用模擬主機運行條件下進行零部件試驗的方法。
在方案設(shè)計之初必須進行可靠性分析，而在施工設(shè)計完成后再次進行詳細(xì)的可靠性分析計算，其中包括精心選取可靠性好的結(jié)構(gòu)和對重要的零部件以及整機進行可靠性估算。
第三節(jié) 齒輪箱的構(gòu)造
一、齒輪箱的類型與特點
風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪增速箱、行星增速箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動的級數(shù)可分為單級和多級齒輪箱；按照轉(zhuǎn)動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。常用齒輪箱形式及其特點和應(yīng)用見表.20.1-1。
（表20.1-1 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的主要類型和特點）。
二、齒輪箱圖例
（各種齒輪箱圖例如圖20.1 ～ 20.7 所示）。
第四節(jié) 齒輪箱的主要零部件
箱體結(jié)構(gòu)
箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質(zhì)量。箱體的設(shè)計應(yīng)按照風(fēng)電機組動力傳動的布局安排、加工和裝配條件、便于檢查和維護等要求來進行。應(yīng)注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。
箱體的應(yīng)力情況十分復(fù)雜且分布不勻，只有采用現(xiàn)代計算方法，如有限元、斷裂力學(xué)等方法輔以摸擬實際工況的光彈實驗，才能較為準(zhǔn)確地計算出應(yīng)力分布的狀況。利用計算機輔助設(shè)計，可以獲得與實際應(yīng)力十分接近的結(jié)果。
采用鑄鐵箱體可發(fā)揮其減振性，易于切削加工等特點， 適于批量生產(chǎn)。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金制造的箱體，可使其重量較鑄鐵輕20%~30%， 但從另一角度考慮，輕合金鑄造箱體，降低重量的效果并不顯著。這是因為輕合金鑄件的彈性摸量較小，為了提高剛性，設(shè)計時常須加大箱體受力部分的橫截面積，在軸承座處加裝鋼制軸承座套，相應(yīng)部位的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風(fēng)電機組尚用鋁合金箱體外，大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱應(yīng)用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。
單件、小批生產(chǎn)時，常采用焊接或焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現(xiàn)裂紋，無論是鑄造或是焊接箱體均應(yīng)進行退火
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