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大型风电齿轮箱关键设计技术

范文

曹奇

摘要：随着我国社会的发展与科技的进步，发电行业除了传统的火力发电和水力发电之外，风力发电也逐渐受到人们的重视，但是由于其内风电齿轮箱经常出现故障的原因，导致我国的风力发电一直没有取得较大的成果。而风电齿轮箱的设计制造技术是其能否正常运转的主要保障，相应地也就决定了我国的风力发电的发展情况。本文主要分析探讨的是大型风电齿轮箱的关键设计技术。

关健词：风电齿轮箱；载荷；齿轮强度；优化

中图分类号：TH132 文献标识码：A

自从世界上第一台风力发电装置诞生后，人们对风能的利用已经进入到了系统开发与利用的阶段，而且随着石油危机和核电环保危机等的出现，风能的开发利用已经成为世界未来的发展趋势，利用风能发电就是一个很好的显示，但风力发电机在运行过程中仍然存在许多问题，其主要原因就是其内风电齿轮箱的设计制造出现质量问题，这也是制约着我国风力发电行业迅猛发展的主要原因。

1.大型风电齿轮箱主要存在的问题

1.1 轴承易损坏

在风力发电装置中，由于其设备过于庞大，维修不便等原因，因此其装置必须具备较长的工作寿命，通常是不能少于20年，而现今的风力发电装置中出现故障问题最多的就是增速齿轮箱，而轴承就是齿轮箱中最容易出现故障的部件，因此合理地选择轴承对整个齿轮箱的运转非常重要，同时还要准确地预测其使用寿命。

1.2 载荷数据处理不完善

在我国由于各地气候不一，有些地方的风力发电机所处的环境相当恶劣，导致风力发电机所承受的载荷也异常复杂，然而目前我国对复杂荷载的数据收集也才刚刚起步，同时对于复杂载荷的处理方法也不够完善，对于瞬间载荷，制动载荷以及极限载荷等的处理也全凭过往的经验进行估算，另外对于变载荷的处理时，运用的线性积累损伤理论也不够成熟，最后导致其基础计算不合理。

1.3 设计计算方法不够成熟

在我国的风力发电机装置中，对于齿轮承载能力的计算方法也不够成熟，这主要是国外发达国家相比较，比如美国在风力发电机齿轮箱的设计上按AGMA 2101-C95或ISO 6336：1996规范来计算，而我国一般都按照GB3480来进行计算，这两种计算方法虽然各自都有自己的特点，但比较起来还是发达国家的较为成熟，而我国的设计计算方法则要落后许多。

2.大型风电齿轮箱齿轮疲劳强度计算

2.1 轴承的寿命计算

我国大型风力发电机经常发生故障的地方主要集中在齿轮箱上，而齿轮箱的故障主要由轴承引起的，因此在计算齿轮箱疲劳强度之前，必须先计算出轴承的使用寿命。而轴承的运转过程中，由于套圈与滚动体的接触，使其表面经过交变负荷的反复作用后而形成疲劳剥落，若这种疲劳剥落发生在轴承的使用寿命期限以外就是正常的轴承损坏，因此经常所说的轴承寿命主要指的是轴承的疲劳寿命。在风力发电机中所用的轴承主要是滚动轴承，这种轴承摩擦力都很小，而相对于整个风力发电机组来说，轴承的寿命不能低于13万小时。

2.3 齿轮疲劳强度的计算模型

在确定出风电齿轮箱轴承的疲劳寿命之后，就要对齿轮的疲劳强度进行计算，一般情况下齿轮的疲劳强度计算主要有两种方法，即ISO齿轮强度计算标准和AGMA齿轮强度计算标准。首先计算的是齿轮之间的接触强度，公式如下所示：

其中：v1，v2分别表示互相接触的两圆柱体材料的泊桑比，而E1，E2分别表示互相接触的两圆柱体的性模量，而ρred则表示为当量曲率半径。

3.大型风电齿轮箱几何参数优化

在大型风力发电机中，齿轮箱是其中的重要机械部件，其主要功能就是将风能所产生的动力传递给发电机并使得发电机快速转动，从而将风能转变成电能。但是由于环境因素的影响，导致风电齿轮箱所承受的载荷更为复杂，在长时间的运转下，其齿轮箱难免会出现故障，因此在本次结构优化中采用的是一级行星加两级平行轴的传动结构方式，如图1所示。

3.1 数学模型

数学模型的建立首先要选定设计变量，通过风电齿轮传动结构图中可以看出，本次所需要选定的设计变量主要包括齿数，变位系数，法向系数，计算齿宽以及螺旋角等；其次就是要确定出目标函数，而本次的优化目标主要是保证各级齿轮传动的接触疲劳强度相等，因此在这个基础上根据其4对齿轮啮合副计算出的目标函数为：

然后就是确定出约束条件，而约束条件主要包括传动比限制条件，行星轮邻接条件，行星级齿轮均布安装条件，强度条件，外形尺寸条件以及齿宽条件等。

3.2 优化方法

在本次大型风电齿轮箱的优化中，所采用的优化方法主要就是复合形法。复合形法主要指的是在N维设计空间的可行域内，由多个顶点所构成的多面体，这种优化方法必须取最后一个复合形中的目标函数值最小的点作为优化的最优点。

3.3 优化结果

通过计算机程序设计出相应的优化软件，在程序界面的手动输入初始基本参数按钮是为了方便构造复合形而设置的，通过这个按钮可以进行优化计算，比如輸入相应的条件参数，通过该软件可以得出优化结果，具体包括最优点和最优解。另外还要设计变量，也就是齿数，模数等变量进行圆整，而圆整必须符合相应参数的规范标准，比如齿数必须为整数，要满足装配的限制条件，齿轮的模数要符合国家相关标准，同时为了保证弯曲强度，模数圆整时应取较大的标准值等。

结语

综上所述，在风力发电机中，风电齿轮箱的载荷非常复杂，而且这一部分又是整个设计制造的关键和基础，因此为了保证风力发电机的持续运行，保证风力发电不中断，机组不出现故障，对齿轮箱进行结构优化，轴承等部件进行重点设计非常有必要。本文首先概括分析了风力发电机齿轮箱主要存在的故障问题，然后根据对齿轮箱的疲劳强度计算和齿轮箱的几何参数优化对齿轮箱的关键设计技术进行了探讨分析，设计出优化设计数学模型，可以对风电齿轮箱的内部结构和关键设计进行重点分析，实现了各级接触强度的优化设计目标，最后也希望本文的分析探讨对我国风力发电机的齿轮箱等核心部件的设计与制造能起到一定的参考作用。

参考文献

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[3]刘忠明，段守敏，王长路.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望[J].机械传动，2006（6）：1-6+31+96.

[4]侯振波. 1.5MW风电齿轮箱关键结构设计综述[J].中国机械，2014（19）：103-104.

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