提高风电齿轮箱功率密度的方法

何磊

摘要：风电齿轮箱作为风力发电机组关键部件，在风力发电中发挥了十分重要的作用。当前风能产业面临着复杂的市场环境，风电度电成本高，因此，提高风电齿轮箱功率具有重要的现实意义。本文从减小齿轮传动载荷以及提高齿轮极限应力两个角度提出了一些提高风电齿轮箱功率密度的方法，以期切实提高风电齿轮箱的竞争力，为风力发电机组的改进和应用提供帮助。

关键词：风电机组；风电齿轮箱；功率密度；方法

1减小齿轮传动载荷

疲劳强度、弯曲疲劳强度是齿轮传动设计中的主要因素，这两个因素对齿轮箱的尺寸、重量具有决定性的因素。中心距的大小决定了齿轮传动设计的水平，因为中心距是齿轮传动轻量化的重要指标。根据相关理论知识可知，减小计算载荷、提高齿轮疲劳极限应力、减小最小许用安全系数、增大齿宽系数、改变啮合型式等方法能够有效减小中心距，提高齿轮传动功率密度，在下文中笔者将从减小传动载荷、提高齿轮极限应力两个方面提出一些提高风电齿轮箱功率密度的具体方法。表1概括了减小齿轮传动载荷的主要方法。

1.1功率分流

一般情况下，装置传递设计载荷是给定的，无法直接减小齿轮传动载荷，但可以通过功率分流的方法减小啮合副传递设计载荷。常用的功率分流方式是行星齿轮传动，风电增速箱、偏航、变桨减速器都采用这一方式减小齿轮传动载荷。设计制造水平的不断发展使得行星轮数量逐渐增加，可以达到六七个，或者更多。良好的均载方式和精密的制造装配技术是采用多行星轮机构的前提条件。

1.2提高啮合副之间载荷分配均匀性

功率分流可以有效提高齿轮传动功率密度，这为行星齿轮传动的广泛应用提供了条件。但与此同时，设计分析技术和制造精度保证技术的水平又对行星轮的个数产生了限制。要切实增加行星轮个数必须解决均载问题，这使得均载方法和均载机构设计在行星齿轮传动设计中成为关键内容。风电机组的改进和发展使得风电齿轮箱设计制造得以应用到许多先进的、新型的均载方式。

1.3提高轮齿载荷分布均匀性

提高轮齿载荷分布均匀性的方法主要是轮齿修形，而齿轮轮齿修形主要是对齿形、螺旋线、对角、三维拓扑进行修形。轮齿修形不仅能够优化齿面的载荷分布，提高齿面承载能力，还能够有效减小传递误差以及传动噪音，并减少摩擦损失。轮齿修形能够有效改善轮齿齿宽方向的载荷分布，从而增强齿轮的承载能力。

1.4减小轮齿单位线载荷

加工工艺、装备水平不断提高，风电齿轮产品的生产制造中应用到了大量数字化、智能化装备，这使得齿轮产品精度不断提高。由相关的理论知识可知，增加齿轮齿宽可以有效增强齿轮的承载能力。但要通过增加齿轮齿宽的方式提高承载能力，必须先保证制造和装配精度，确保载荷分布均匀。否则，一味地增加齿宽将降低齿轮承载能力。

2提高齿轮极限应力

提高齿轮接触疲劳极限应力或者弯曲疲劳极限应力都能够有效提高风电齿轮箱功率密度，表2概括一些提高齿轮极限应力的具体方法。

首先，齿面改性。齿面改性的具体方法是对齿轮进行加工处理，风电齿轮箱增速箱、偏航、变桨减速器的齿轮都采用合金钢锻件+渗碳淬火+磨齿工艺的处理流程和工藝。风电齿轮箱工作环境比较恶劣，齿轮容易遭受频繁的载荷交变、冲击，进而发生早期失效，齿轮轮齿的早期失效与接触精度、硬化、表层物理冶金因素有关，齿轮热处理质量、稳定性、一致性都对齿轮产品的可靠性具有关键影响。目前风电齿轮的热处理工艺主要是渗碳淬火工艺，渗碳淬火工艺是齿轮生产过程中的一个重大技术难题。渗碳淬火工艺对齿轮的性能、质量具有重要影响，热处理操作如果不合格，导致齿轮畸变过大，容易造成齿轮磨齿后层深不均，降低极限应力。齿轮热处理过程中变形难以控制的主要原因是变形的影响因素过多，设计、材料、锻造毛坯、机械加工、渗碳、淬火都对热处理变形具有影响作用。根据相关统计资料，热处理变形的影响因素多达二十六种，七十七个因子。目前渗碳淬火的变形控制方法主要有以下几种：第一，选用淬透性带宽较小的材料；第二，选择合理的零件结构、机械加工工艺；第三，科学选择热处理工艺、装备。

其次，齿面改形。齿根过渡曲线的形状、形貌对应力几种具有重要的影响，从而对齿轮的弯曲疲劳极限应力大小产生影响。齿轮产品的生产加工过程通常不会对齿根进行磨削，制齿加工时的刀具以及磨齿时的磨削加工面与未磨削加工面连接处的形貌决定了齿根的形貌。刀具几何参数对齿根弯曲应力具有重要的影响作用，改善刀具几何参数能够明显降低齿根弯曲应力。通过超精加工等齿面改形方式能够提高齿轮承载能力提高风电齿轮箱功率密度。齿轮传动中出现微点蚀现象后，传动装置的使用年限以及性能都会受到严重影响。相关研究结果表明，齿面粗糙度、润滑、齿面组织状态等对微点蚀具有关键的影响作用。为此，采用超精加工工艺能够有效避免微点蚀现象。

3小结

科技和经济的发展促进了风发电机组的改进优化，其单机容量和装机容量迅速增大，为了减少吊装成本，减小安装空间，风电齿轮箱的制造必须朝着轻量化、减量化的趋势发展，因此，提高风电齿轮箱的功率密度势在必行。风电齿轮箱的工作环境比较特殊，且相对恶劣，而风电又对齿轮箱可靠性具有较高的要求。为此，轻量化、减量化等提高齿轮箱功率密度的技术在风电齿轮箱中具有较高的应用价值。

参考文献：

[1]顾涛，何辉波，李华英等.风电齿轮传动系统结构参数优化设计与仿真分析[J].机械设计与制造，2016，（1）：202-205.

[2]刘华朝，朱才朝，柏厚义等.轮齿修形对兆瓦级风电齿轮箱 NVH 性能的影响[J].振动与冲击，2016，35（24）：158-163，188.