关于风电齿轮箱的设计技术分析

摘   要：

随着社会经济的快速发展，我国每年所耗费的能源数量快速上升，这也造成了全国范围内能源紧缺现象。当前人们逐渐重视对可持续资源的开发利用，使得近些年来风力发电技术迅猛发展。在风力发电技术中，水平轴风力发电机是最为重要的一个技术环节，但是由于风电齿轮箱在运行中故障率较高，因此风力齿轮箱设计与制造技术一直都是困扰我国风电行业发展的瓶颈之一。本文主要结合当前大型风电齿轮箱的发展现状及发展趋势，探讨了现阶段大型风电齿轮箱出现的问题及研究现状，最后结合实际情况阐述了大型风电齿轮箱载荷分析及处理措施。

关键词：风电齿轮箱；设计；关键技术

1  大型风电齿轮箱的发展现状及趋势

到 2018年底，中国、荷兰、德国、丹麦等国的风电设备累计装机容量位居全球前列。可见，风能产业是中国迅速发展的新兴产业，而且中国拥有非常丰富的风能资源。相关调查研究表明，中国已有约 32.26亿千瓦的风能累计储量，可供利用的风能资源达 10.7亿千瓦，中国拥有的风能开发潜力巨大，目前中国已有40家企业进入风能生产和零部件制造领域。中国政府及相关部门通过技术引进及自主开发等多种发展模式，使中国风能设备制造产业链已逐渐形成，形成了集齿轮箱、叶片机、偏航系统、钢结构构件等零部件制造和主机制造为一体的完整产业链。这使得我国风力设备制造产业链已经逐步形成集齿轮箱、叶片机、偏航系统、钢结构部件等零部件制造和主机生产的能力。

大型风电齿轮箱主要具有的结构有两种，包括水平轴风力机和垂直轴风力机，当前在我国风力发电市场上主要应用水平轴发电机。一般情况下，风力机可运行20多年，而且风力机还可承受各种极端天气和复杂的风荷载，但风力机也经常因风力机齿轮箱故障而导致整个机组运行瘫痪。举例来说，丹麦的micon发生了数千起质量问题的齿轮更换事故。而在风力发电设备中，齿轮是一个非常重要的机械部件，主要通过风轮将风力动力传递给发电机，使发电机内轴承的转动得到改善，但是，由于风轮的转动速度较低，齿轮箱应该通过辅助齿轮的转动速度来改善发电机轴承的转动速度。通过对中国目前发展的装备的总体结构要求进行分析，发现风轮驱动轴直接连接到齿轮箱，使用时需要通过膨胀调节装置或轻率对接连接，通常是通过在齿轮箱的输入或输出端安装制动器，通过制动器和叶片的联合作用使机械设备的传动系统制动。根据相关信息，在今后几年，我国将会大力发展大型风电机组，并实现大型风电发电机组核心技术自主化的目标。2006年6月，重庆齿轮箱有限责任公司研制成功国内第一台1.5MW风电齿轮箱。2007年6月初，该厂研制生产的国内最大的兆瓦级风电齿轮箱FL2000顺利通过了各项技术指标测试和型式试验，成功交付用户使用。

2  大型风电齿轮箱载荷技术分析

2.1  大型风电齿轮箱的载荷谱

大型风电齿轮箱的负荷光谱主要是指风力机在各种运行状况下进行的随机负荷的实测和实时记录。通过改变记录的负荷大小和负荷发生频率，以一种图像或数学公式的方式进行表示，便可以称之为载荷谱，通过对载荷谱进行分析便可以判断风电齿轮箱的强度可靠性及风电齿轮箱在应用中的预期寿命。

我国在对齿轮箱承载能力进行计算的过程中，主要采用的kissoft和Romax均为国际通用软件，虽然可以提供较为精准的计算结果，但是却缺少了核心自主的软件，使得在科研领域受制于人。而我国大型风电齿轮箱大多采用一级行星传动和两级平行轴传动结构。目前，对大型风力发电机组齿轮箱的载荷谱进行测量，可以采用计数法、谱分析法等技术进行，通常载荷谱的特征呈现出最大值和最小值不会随着时间的变化而发生变化，技术人员便可以通过载荷谱用于材料疲劳性实验。负载谱反映了叶轮上的疲劳负荷，主要取决于多方面的因素，技术人员需要确定疲劳破坏的主要部位，收集随机数据，通过压缩负载时间的过程来对齿轮箱荷载进行计算和统计，确保载荷谱具备典型性、集中性和概括性，以更好地推断出风电齿轮箱的疲劳寿命。

2.2  大型风电齿轮箱的载荷分类

发电机的发展速度非常慢，因为不能满足要求的旋转速度，必须通过齿轮箱齿轮副来增速，因此，该齿轮箱又称加速箱，根据机器设备的整体布置要求，有时还将与风轮轮毂直接连接的传动轴（通常称为大轴）与齿轮箱合二为一的情况，也有将大轴和齿轮箱分开布置的情况。为改善制动器的制动性能，在齿轮箱的输入或输出端安装制动器，并配合叶尖制动（固定浆距风轮）或变液距制动器，使机器共用制动器驱动系统。

2.3  大型风电齿轮箱运行中载荷停歇和持续时间的影响

风电齿轮箱在运行中可能会由于载荷具有一定的不确定性，或是对机组进行维修的过程中出现长时间的停机或间歇工作时间。由于风电机组的停机造成载荷中间停歇，这就使得一些易疲劳的材料得到了休息，延长了材料的使用寿命。在相关调查研究中得知，载荷停歇时间并不会对疲劳的极限值造成一定的影响，对于部分材料来说，载荷停歇时间对其造成的疲劳性影响较大，例如碳性钢材料；而合金钢材料对于载荷停歇时间的影响较小。我国部分学者对风电齿轮箱在载荷停歇中的疲劳寿命进行分析时认为，可以通过平均应力与材料疲劳寿命之间的关系进行判断，通常当平均应力小于极限值时，材料的疲劳寿命增加，反之亦然。

2.4  大型风电齿轮箱变载荷工况下轴承寿命计算

ISO轴承寿命计算方法。根据ISO281：1990标准，轴承的基本额定寿命为：

L10=（C/P）ε

式中L10—可靠度为90%的轴承基本额定寿命；

C—额定动载荷；

P—当量动载荷；

ε—寿命指数，对于球轴承为3，滚子轴承为10/3。

大型风电装置在应用过程中所处的工作环境较为恶劣，这也使得风电装置在应用中会承受较为复杂的载荷。但是当前我国对于复杂载荷的数据收集才刚刚起步，因此还未对处理复杂载荷数据形成一套系统化的方法，使得风力发电机组在工作过程中经常性地出现过压载荷。当出现这些问题时，设计人员所应用的线性积累损伤理论，无法真实地反映出载荷值齿轮箱造成的破坏。

在对大型风电齿轮箱交变荷载的数据进行收集时，可以采用SKF和FAG结合的方式给出阶梯载荷下的轴承寿命计算方法，在计算中以强调轴承等零部件的载荷谱为基础，再根据等效载荷作为设计计算依据。并将轴承运行过程中的工作转速、清洁度水平、工作温度等影响因素进行考虑，通过利用SKF和FAG计算方法便可以对轴承寿命修正系数进行计算，由于这两种计算方法趋势相同，因此在相同条件下数值的偏差性较小。在计算中可以发现随着轴承工作温度的升高，修正系数也会随之减小；随着轴承转速的降低，在相同温度下修正系数越小。

2008年5月，由杭齿集团杭州前进风电齿轮箱有限公司研制开发的首台1.5MW风电齿轮箱，通过沈阳远大机电装备有限公司的验收，该台风电齿轮箱在转速、扭矩、升温、振动等各项技术指标均达到了国家相关标准，即将交付客户使用。

3  大型风电齿轮箱几何参数优化

齿轮箱是大型风力发电机中的重要机械部件之一，其主要任务是将风能产生的能量传递给发电机，使发电机快速转动，把风能转变成电能待转。但由于环境因素的影响，风电机组的输电负荷更加复杂，传动系统在长时间运行中，不可避免会出现故障。

3.1  数学模式

从风电齿轮传动结构图中可以看出，应选择的设计变量主要有齿数、位移系数、方位系数、齿宽和螺旋角等，然后确定目标系数，该优化目标主要是保证各等级齿轮传动具有相同的接触疲劳强度。

3.2  最佳做法

本文对大型风电齿轮箱进行了优化，采用的优化方法主要是复合型法。复合型法主要是指在N维设计空间的可实现区域内，由多个顶点组成的多面体，因此，本文提出了一种以最终复合型中目标函数值最小的点为优化目标函数的方法。

3.3  优化成果

在程序界面上手动输入基本参数按钮，为便于结构组合，设置了由计算机编程设计的相应的优化软件进行优化计算。输入相应的条件参数，就可以通过软件得到优化结果。除了设计变量外，还包括最佳点，即齿数、系数等变量构成的圆圈，因此齿数必须为满足装配限制条件的整数，且设备参数应符合相关国家标准。此外，为保证一定的强度，制作圆圈时系数应采用较大的标准值。

沈阳工业大学风能技术研究所的李树吉等对三级平行轴的斜齿圆柱齿轮增速箱进行了研究，以齿轮箱质量最轻为目标建立了风电齿轮箱优化的数学模型，用SUNMT内点法进行了优化。福州大学的刘贤焕等对兆瓦以上的风电齿轮箱提出了由1个ZK—H（B）型差动行星轮系与1个ZK—H（A）型准行星轮系组合而成的封闭式行星轮系传动方案，并以齿轮箱体积最小为目标函数建立了相应的数学模型，利用MATLAB优化工具对模型进行了求解。

4  结语

风力发电机组在运行过程中所处的工作环境往往过于恶劣，并且风力发电机组在运行中所承受的载荷大小及方向很难进行判断。这就使得风力发电机组在运行中需要承受瞬间载荷及短时间内的变幅交变载荷，对风力机组产生一定的疲劳性破坏。因此，通过对当前我国应用的大型风电齿轮箱展开系统且深入的研究，分析齿轮箱在工作中所承受的极限载荷、工作载荷、周期载荷等对齿轮箱结构造成的影响，提出科学合理的完善意见，对进一步促进我国风电行业的发展意义重大。

作者

刘桂然

国电联合动力技术有限公司风电设备及控制国家重点实验室

参考文献：

[1]曹奇.大型风电齿轮箱关键设计技术

[2]王辉,李晓龙,王罡.大型风电齿轮箱的失效问题及其设计制造技术的国内外现状分析

[3]霍仕环,曹奇.风电齿轮箱制造及质量控制技术要点的研究

[4]王曰辉,柴希,翟晶.风电齿轮箱齿轮智能生产线设计研究