完整版齿轮箱Word下载.docx
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设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，
使结构简化并且重量最轻。
通常应采
用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有
良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。
设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。
其动载荷部
分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工
JB/T
作条件。
KA=1。
当无法得到
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。
载荷谱可通过实测得到，也可以按照
10300标准计算确定。
当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数
二、设计要求
风力发电机组增速箱的设计参数，除另有规定外，常常采用优化设计的方法，
即利用计算机的分析计算，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。
一）效率
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。
功率损失主要包括
齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。
齿轮的效率在
不同工况下是不一致的。
的指标。
二）噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。
噪声主要来自各传动件，故应采取相
应降低噪声的措施：
1.适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
2.提高轴和轴承的刚度；
3.合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；
三）可靠性
极限分析、动力学分析等。
分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条
件下进行零部件试验的方法。
在方案设计之初必须进行可靠性分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。
第三节齿轮箱的构造
、齿轮箱的类型与特点
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行
星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；
按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；
按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。
常用齿轮箱形式及其特点和应用见表.20.1-1。
表20.1-1风力发电齿轮箱的主要类型和特点）。
二、齿轮箱图例
第四节齿轮箱的主要零部件第四节齿轮箱的主要零部件箱体结构
箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反
应注
按照风电机组动力传动的布局安排、加工和装配条件、便于检查和维护等要求来进行。
要的加强筋。
筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。
箱体的应力情况十分复杂且分布不匀，只有采用现代计算方法，如有限元、
用计算机辅助设计，可以获得与实际应力十分接近的结果。
20%~3
在轴承座
铸铁和其他高强度铸铁。
用铝合金或其他轻合金制造的箱体，可使其重量较铸铁轻
0%，但从另一角度考虑，轻合金铸造箱体，降低重量的效果并不显著。
这是因为轻合金铸件的弹性摸量较小，为了提高刚性，设计时常须加大箱体受力部分的横截面积，
处加装钢制轴承座套，相应部位的尺寸和重量都要加大。
目前除了较小的风电机组尚用铝合
金箱体外，大型风力发电齿轮箱应用轻铝合金铸件箱体已不多见。
单件、小批生产时，常采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。
为减小机械加
工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处理，
以消除内应力。
为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。
机座旁一般设有连体吊
钩，供起吊整台齿轮箱用。
箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是作为支承座的耳孔和摇臂支座孔的结构，
其支承
刚度要作仔细的核算。
为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。
最简单的弹性减振器是用高强度橡胶和钢垫做成的弹性支座块，
合理使用也能取得较好的结
果。
箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。
在相应部位设有注油器和放油孔。
放油孔
周围应留有足够的放油空间。
采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油
口和相关的液压件的安装位置。
齿轮和轴的结构
风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满
足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，
如抗低温冷脆性、冷热温
差影响下的尺寸稳定性等等。
对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严
格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，
齿轮毛坯只要在
锻造条件允许的范围内，都采用轮辐轮缘整体锻件的形式。
当齿轮顶圆直径在
2倍轴径以
下时，由于齿轮与轴之间的连接所限，常制成轴齿轮的形式。
为了提高承载能力，齿轮、轴一般都采用合金钢制造。
外齿轮推荐采用
20Cr
MnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材
料。
内齿圈和轴类零件推荐采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。
采用锻造方法制取毛
坯，可获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征。
合理的预热处理以及中间和最终热处理
工艺，保证了材料的综合机械性能达到设计要求。
HRC
不低于6级GB/T10095。
通常采用最终热处理的方法是渗碳淬火，齿表面硬度达到
60+/-2，具有良好的抗磨损接触强度，轮齿心部则具有相对较低的硬度和较好的韧性，能提高抗弯曲强度，而通常对齿部的最终加工是采用磨齿工艺。
加工人字齿的时候，如是整体结构，半人字齿轮之间应有退刀槽；
如是拼装
人字齿轮，则分别将两半齿轮按普通圆柱齿轮加工，最后用工装将两者准确对齿，再通过过盈配合套装在轴上。
齿轮加工中，规定好加工的工艺基准非常重要。
轴齿轮加工时，常用顶尖顶
用夹具或
紧两轴端中心孔安装在机床上。
圆柱齿轮则利用其内孔和一个端面作为工艺基准，通过校准在机床上定位。
在一对齿轮副中，小齿轮的齿宽比大齿轮略大一些，这主要是为了补偿轴向
工时对轮齿作修形处理。
齿轮与轴的联接
花键联接
通常这种联接是没有过盈的，因而被联接零件需要轴向固定。
花键联接承载能力高，对中性好，但制造成本高，需用专用刀具加工。
过盈配合联接过盈配合联接能使轴和齿轮（或联轴节）具有最好的对中性，特
别是在经常出现冲击载荷情况下，这种联接能可靠地工作，在风力发电齿轮箱中得到广泛的应用。
利用零件间的过盈配合形成的联接，其配合表面为圆柱面或圆锥面（锥度可取
1：
30~1：
8）。
圆锥面过盈联接多用于载荷较大，需多次装拆的场合。
胀紧套联接利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，且具有安全保护作用。
国家标准GB5867-86对其所推荐的四种胀紧套的结构形式和基本尺寸作了详细的规定。
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齿轮箱中的轴按其主动和被动关系可分为主动轴、从动轴和中间轴。
首级主动轴和末级从
动轴的外伸部分用于安装半联轴器，与风轮轮毂或电机传动轴相连。
为了提高可靠性和减小
外形尺寸，有时将半联轴器（法兰）与轴制成一体。
轴上各个配合部分的轴颈需要进行磨削加工。
为了减少应力集中，对轴上台肩处的过渡圆角、
上开出卸荷槽。
装在轴上的零件，轴向固定应可靠，工作载荷应尽可能用轴上的止推轴肩来
螺帽和止动垫圈，但不能用于轴向负荷过大的地方。
取较高的表面硬度和心部较高的韧性。
滚动轴承
齿轮箱的支承中，大量应用滚动轴承，其特点是静摩擦力矩和动摩擦力矩都很小，即使
载荷和速度在很宽范围内变化时也如此。
滚动轴承的安装和使用都很方便，但是，当轴的转
速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下件下降，高速工作时的噪音和振动比较大。
齿轮传动时轴和轴承的变形会引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均
况下又是由于轴承的质量和其他因素，如剧烈的过载而引起的。
选用轴承时，不仅要根据载
商的的样本，都有整套的计算程序和方法可供参考。
轴承运转过程
疲劳剥落若发
计算的使用寿命应不小于13万小时。
在安装、润滑、维护都正常的情况下，中，由于套圈与滚动体的接触表面经受交变负荷的反复作用而产生疲劳剥落。
生在寿命期限之外，则属于滚动轴承的正常损坏。
因此，一般所说的轴承寿命指的是轴承的疲劳寿命。
一批轴承的疲劳寿命总是分散的，但总是服从一定的统计规律，因而轴承寿命总是与损坏概率或可靠性相联系。
第五节齿轮箱的使用及其维护
在风力发电机组中，齿轮箱是重要的部件之一，必须正确使用和维护，以延长使用寿命。
联轴器，最好是弹性联轴器，并串接起保护作用的安全装置。
齿轮箱轴线与相联接部分的轴
线应保证同心，其误差不得大于所选用联轴器的允许值。
胀紧套联接利用轴、孔与锥形弹性套之间接触面上产生的摩擦力来传递动力，是一种无键
联接方式，定心性好，装拆方便，承载能力高，能沿周向和轴向调节轴与轮毂的相对位置，
且具有安全保护作用。
国家标准GB5867-86对其所推荐的四种胀紧套的结构形式和基本尺
寸作了详细的规定。
滚动轴承的安装和使用都很方便，但是，当轴的转速接近极限转速时，轴承的承载能力和寿命急剧下件下降，高速工作时的噪音和振动比较大。
在许多情
齿轮传动时轴和轴承的变形会引起齿轮和轴承内外圈轴线的偏斜，使轮齿上载荷分布不均匀，会降低传动件的承载能力。
由于载荷不均匀性而使轮齿经常发生断齿的现象，
因此，一般所说的轴承寿命指的是轴承的
是与损坏概率或可靠性相联系。
齿轮箱安装后用人工盘动应灵活，无卡滞现象，齿面接触斑点应达到技术条件的要求。
按照
电机带动齿轮箱，经检查齿轮箱运转平稳，无冲击振动和异常噪音，润滑情况良好，且各处密封和结合面不漏油，才能与机组一起投入试运转。
加载试验应分阶段进行，分别以额定载荷的25%、50%、75%、100%加载，每一阶
段运转以平衡油温为主，一般不得小于2小时，最高油温不得超过80°
C,其不同轴
承间的温差不得高于15°
CO
齿轮箱的润滑
齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。
为此，必
滑，管路上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转当中不会出现断油。
在齿轮箱运转前先启动润滑油泵，待各个润滑点都得到润滑后，间隔一段时间方可启动
齿轮箱。
当环境温度较低时，例如小于10°
C，须先接通电热器加机油，达到预定温度
后才投入运行。
若油温高于设定温度，如65°
C时，机组控制系统将使润滑油进入系
统的冷却管路，经冷却器冷却降温后再进入齿轮箱。
管路中还装有压力控制器和油位控制器，
以监控润滑油的正常供应。
如发生故障。
监控系统将立即发出报警信号，使操作者能迅速判
定故障并加以排除。
对润滑油的要求应考虑：
1）减小摩擦和磨损，具有高的承载能力，防止胶合；
吸收冲击和振动；
3）防止疲劳点蚀；
4）冷却，防锈，抗腐蚀。
不同类型的传动有不同
的要求。
风力发电齿轮箱属于闭式齿轮传动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选
粘度指数相对较高。
为提高齿轮的承载能力和抗冲击能力，适当地添加一些极压添加剂也有
必要，但添加剂有一些副作用，在选择时必须慎重。
齿轮箱制造厂一般根据自己的经验或实
验研究推荐各种不同的润滑油，例如MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220
GB5903-95齿轮油就是根据齿面接触应力和使用环境条件选用的。
在齿轮箱运行期间，要定期检查运行状况，看看运转是否平稳；
有无振动或异常噪音；
各处连接和管路有无渗漏，接头有无松动；
油温是否正常。
定期更换润滑油，第一次换油应
在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000-10，000小时。
物过多并超过一定比例时，就应及时更换。
齿轮箱应每半年检修一次，备件应按照正规图纸制造，更换新备件后的齿轮箱，其齿轮啮合情况应符合技术条件的规定，并经过试运转与负荷试验后再正式使用。
第六节齿轮箱常见故障及预防措施
齿轮箱的常见故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和渗漏油、油温高等。
齿轮损伤
齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等。
常见的齿轮损伤有齿面损伤和轮齿折断两类。
一）轮齿折断（断齿）
断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。
根据裂纹扩展的情况和断齿原因，断齿可分为过载折断（包括冲击折断）、疲劳折断以及随机断裂等。
导致裂纹迅速扩展，常见的原
过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，因有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。
断齿断口有呈放射状花样的裂纹扩展区，有时断口处有平整的塑性变形，断口副常可拼合。
仔细检查可看到材质的缺陷，齿面精度太差，轮齿根部未作精细处理等。
在设计中应采取必要的措施，充分考虑预防过载因素。
安装时防止箱体变形，防止硬质异物进入箱体内等等。
疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下，从危险截面（如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。
在疲劳折断的发源处，是贝状纹扩展的出发点并向外辐射。
产生的原因是设计载荷估计不足，材料选用不当，齿轮精度过低，热处理裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中等等。
故在设计时要充分考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。
随机断裂的原因通常是材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区引起。
轮齿表面或其表层下面产生疲
二）齿面疲劳
齿面疲劳是在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤，其表现形式有早期点蚀、破坏性点蚀、齿面剥落、和表面压碎等。
特别是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位出现，并且不断扩展，使齿面严重损伤，磨损加大，最终导致断齿失效。
正确进行齿轮强度设计，选择好材质，保证热处理质量，选择合适的精度配合，提高安装精度，改善润滑条件等，是解决齿面疲劳的根本措施。
三）胶合
胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象，很可能是由于润滑条件不好或有干涉引起，适当改善润滑条件和及时排除干涉起因,调整传动件的参数，清除局部载荷集中，可减轻或消除胶合现象。
轴承损坏
轴承是齿轮箱中最为重要的零件，其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。
轴承在运
转过程中，套圈与滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，
由于安装、润滑、维护等方面
的原因，而产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，使轴承失效，
从而使齿轮副和箱体产生损坏。
据统计，在影响轴承失效的众多因素中，属于安装方面的原因占
16%，属于污染方面的原
因也占16%，而属于润滑和疲劳方面的原因各占34%。
使用中70%以上的轴承达不到
预定寿命。
因而，重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，按照规范进行安装调试，加强
对轴承运转的监控是非常必要的。
通常在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温
现象进行监控，同一箱体上不同轴承之间的温差一般也不超过
15°
C，要随时随地检查
润滑油的变化，发现异常立即停机处理。
断轴
断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。
究其原因是轴在制造中没有消除应力集中因素，
在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。
因而对轴上易产生的应力集中因
素要给予高度重视，特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处的光洁度要求较高，
也不允许有切削刀具刃尖的痕迹。
设计时，轴的强度应足够，
轴上的键槽、花键等结构也不
能过分降低轴的强度。
保证相关零件的刚度，防止轴的变形，也是提高轴的可靠性的相应措
施。
四、油温高
齿轮箱油温最高不应超过80°
C，不同轴承间的温差不得超过15°
C。
一般的
齿轮箱都设置有冷却器和加热器，当油温底于10°
C时，加热器会自动对油池进行加热；
当油温高于65°
C时，油路会自动进入冷却器管路，经冷却降温后再进入润滑油路。
如
齿轮箱出现异常高温现象，则要仔细观察，判断发生故障的原因。
首先要检查润滑油供应是
否充分，特别是在各主要润滑点处，必须要有足够的油液润滑和冷却。
再次要检查各传动零
部件有无卡滞现象。
还要检查机组的振动情况，前后
连接有否松动等等。
轴承
受到了各国的高度重视，
进十年来，风力发电机作为一项可再生的绿色环保型洁净能源，得到了长足的发展。
风力发电机用轴承主要包括：
偏航轴承总成、风叶主轴轴承、变速器轴
现在
承、发电机轴承等，轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。
其中大型偏航轴承总成和风叶主轴轴承技术难度交大，基本依靠进口，是风机国产化的难点之一。
风机轴承国产化可以提高国内轴承工业的设计应用水平，缩小与国外先进水平的差距，促进国内轴承工业的发展和技术进步，另外方面，可
以降低风电成本，加快我国新资源和可再生资源的发展。
速最高可达23米/秒，有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、
长寿命和高可靠性，发电机在2-3级风时就要启动，并能跟随风向变化，所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度，大型偏航轴承要求外圈带齿，因此轴承设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计。
1风机轴承技术要点分析
1.1偏航轴承总成
偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。
风机开始偏转时，偏航加速度将产生冲
倍增加。
另外，风机如果在运动过程中偏转，偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩，容易造
此对该轴承的密封性能有着严格的要求，必须对轴承的密封形式进行优化设计，对轴承的密
封性能进行模拟试验研究，保证轴承寿命和风机寿命相同。
风机装在的高空，装拆费用昂贵，
前必须进行计算机模拟试验，以确保轴承设计参数无误。
1.2风叶主轴轴承
风叶主轴由两个调心滚子轴承支撑。
由于风叶主轴承受的载荷非常大，而且轴很长，容易变形，因此，要求轴承必须有良好的调心性能。
确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式，使轴承具有良好的性能和长寿命。
1.3变速器轴承
变速器中轴承类型很多，主要是靠变速箱中的齿轮中的齿轮润滑。
润滑油中金属颗粒比
使滚道表面存在压应力，降低
较多，使轴承寿命大大缩短，因此需采用特殊的热处理工艺，滚道对颗粒杂志的敏感程度，提高轴承寿命。
同时根据轴承的工况条件，对轴承结构进行再优化设计，改进轴承加工工艺方法，进一步提高轴承的性能指标。
1.4发电机轴承
采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承。
通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、
使轴承具有良好的低噪声性
生产过程清洁度控制机相关组件的优选来降低轴承震动的噪声，能。
1.5
轴承装机试验技术研究
切相关，因此，要对轴承安装时的配合形式、安装中心的对中性进行研究，使轴承在实际使用中能够得到较高的工作性能。
但性能和寿命还达不到
2风机轴承技术现状
目前，国内开发生产的风机轴承主要有变速器轴承和电机轴承，要求。
因此，90%左右的变速器轴承和电机轴承仍然依赖进口。
偏航轴承总成和风叶主轴轴承总成还在研制之中，国内除洛轴、瓦轴等大型国有企业有少量试制外，很少有厂家生产，基本属国内空白。
特殊的
风机轴承开发研制存在的主要技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架设计和加工制造方法等。
国内目前的技术水平与国外先进水平项目
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