提高風電齒輪箱功率密度的方法

何磊

摘要：風電齒輪箱作為風力發電機組關鍵部件，在風力發電中發揮了十分重要的作用。當前風能產業面臨著復雜的市場環境，風電度電成本高，因此，提高風電齒輪箱功率具有重要的現實意義。本文從減小齒輪傳動載荷以及提高齒輪極限應力兩個角度提出了一些提高風電齒輪箱功率密度的方法，以期切實提高風電齒輪箱的競爭力，為風力發電機組的改進和應用提供幫助。

關鍵詞：風電機組；風電齒輪箱；功率密度；方法

1減小齒輪傳動載荷

疲勞強度、彎曲疲勞強度是齒輪傳動設計中的主要因素，這兩個因素對齒輪箱的尺寸、重量具有決定性的因素。中心距的大小決定了齒輪傳動設計的水平，因為中心距是齒輪傳動輕量化的重要指標。根據相關理論知識可知，減小計算載荷、提高齒輪疲勞極限應力、減小最小許用安全系數、增大齒寬系數、改變嚙合型式等方法能夠有效減小中心距，提高齒輪傳動功率密度，在下文中筆者將從減小傳動載荷、提高齒輪極限應力兩個方面提出一些提高風電齒輪箱功率密度的具體方法。表1概括了減小齒輪傳動載荷的主要方法。

1.1功率分流

一般情況下，裝置傳遞設計載荷是給定的，無法直接減小齒輪傳動載荷，但可以通過功率分流的方法減小嚙合副傳遞設計載荷。常用的功率分流方式是行星齒輪傳動，風電增速箱、偏航、變槳減速器都采用這一方式減小齒輪傳動載荷。設計制造水平的不斷發展使得行星輪數量逐漸增加，可以達到六七個，或者更多。良好的均載方式和精密的制造裝配技術是采用多行星輪機構的前提條件。

1.2提高嚙合副之間載荷分配均勻性

功率分流可以有效提高齒輪傳動功率密度，這為行星齒輪傳動的廣泛應用提供了條件。但與此同時，設計分析技術和制造精度保證技術的水平又對行星輪的個數產生了限制。要切實增加行星輪個數必須解決均載問題，這使得均載方法和均載機構設計在行星齒輪傳動設計中成為關鍵內容。風電機組的改進和發展使得風電齒輪箱設計制造得以應用到許多先進的、新型的均載方式。

1.3提高輪齒載荷分布均勻性

提高輪齒載荷分布均勻性的方法主要是輪齒修形，而齒輪輪齒修形主要是對齒形、螺旋線、對角、三維拓撲進行修形。輪齒修形不僅能夠優化齒面的載荷分布，提高齒面承載能力，還能夠有效減小傳遞誤差以及傳動噪音，并減少摩擦損失。輪齒修形能夠有效改善輪齒齒寬方向的載荷分布，從而增強齒輪的承載能力。

1.4減小輪齒單位線載荷

加工工藝、裝備水平不斷提高，風電齒輪產品的生產制造中應用到了大量數字化、智能化裝備，這使得齒輪產品精度不斷提高。由相關的理論知識可知，增加齒輪齒寬可以有效增強齒輪的承載能力。但要通過增加齒輪齒寬的方式提高承載能力，必須先保證制造和裝配精度，確保載荷分布均勻。否則，一味地增加齒寬將降低齒輪承載能力。

2提高齒輪極限應力

提高齒輪接觸疲勞極限應力或者彎曲疲勞極限應力都能夠有效提高風電齒輪箱功率密度，表2概括一些提高齒輪極限應力的具體方法。

首先，齒面改性。齒面改性的具體方法是對齒輪進行加工處理，風電齒輪箱增速箱、偏航、變槳減速器的齒輪都采用合金鋼鍛件+滲碳淬火+磨齒工藝的處理流程和工藝。風電齒輪箱工作環境比較惡劣，齒輪容易遭受頻繁的載荷交變、沖擊，進而發生早期失效，齒輪輪齒的早期失效與接觸精度、硬化、表層物理冶金因素有關，齒輪熱處理質量、穩定性、一致性都對齒輪產品的可靠性具有關鍵影響。目前風電齒輪的熱處理工藝主要是滲碳淬火工藝，滲碳淬火工藝是齒輪生產過程中的一個重大技術難題。滲碳淬火工藝對齒輪的性能、質量具有重要影響，熱處理操作如果不合格，導致齒輪畸變過大，容易造成齒輪磨齒后層深不均，降低極限應力。齒輪熱處理過程中變形難以控制的主要原因是變形的影響因素過多，設計、材料、鍛造毛坯、機械加工、滲碳、淬火都對熱處理變形具有影響作用。根據相關統計資料，熱處理變形的影響因素多達二十六種，七十七個因子。目前滲碳淬火的變形控制方法主要有以下幾種：第一，選用淬透性帶寬較小的材料；第二，選擇合理的零件結構、機械加工工藝；第三，科學選擇熱處理工藝、裝備。

其次，齒面改形。齒根過渡曲線的形狀、形貌對應力幾種具有重要的影響，從而對齒輪的彎曲疲勞極限應力大小產生影響。齒輪產品的生產加工過程通常不會對齒根進行磨削，制齒加工時的刀具以及磨齒時的磨削加工面與未磨削加工面連接處的形貌決定了齒根的形貌。刀具幾何參數對齒根彎曲應力具有重要的影響作用，改善刀具幾何參數能夠明顯降低齒根彎曲應力。通過超精加工等齒面改形方式能夠提高齒輪承載能力提高風電齒輪箱功率密度。齒輪傳動中出現微點蝕現象后，傳動裝置的使用年限以及性能都會受到嚴重影響。相關研究結果表明，齒面粗糙度、潤滑、齒面組織狀態等對微點蝕具有關鍵的影響作用。為此，采用超精加工工藝能夠有效避免微點蝕現象。

3小結

科技和經濟的發展促進了風發電機組的改進優化，其單機容量和裝機容量迅速增大，為了減少吊裝成本，減小安裝空間，風電齒輪箱的制造必須朝著輕量化、減量化的趨勢發展，因此，提高風電齒輪箱的功率密度勢在必行。風電齒輪箱的工作環境比較特殊，且相對惡劣，而風電又對齒輪箱可靠性具有較高的要求。為此，輕量化、減量化等提高齒輪箱功率密度的技術在風電齒輪箱中具有較高的應用價值。

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