摘   要：

隨著社會經濟的快速發展，我國每年所耗費的能源數量快速上升，這也造成了全國范圍內能源緊缺現象。當前人們逐漸重視對可持續資源的開發利用，使得近些年來風力發電技術迅猛發展。在風力發電技術中，水平軸風力發電機是最為重要的一個技術環節，但是由于風電齒輪箱在運行中故障率較高，因此風力齒輪箱設計與制造技術一直都是困擾我國風電行業發展的瓶頸之一。本文主要結合當前大型風電齒輪箱的發展現狀及發展趨勢，探討了現階段大型風電齒輪箱出現的問題及研究現狀，最后結合實際情況闡述了大型風電齒輪箱載荷分析及處理措施。

關鍵詞：風電齒輪箱；設計；關鍵技術

1? 大型風電齒輪箱的發展現狀及趨勢

到 2018年底，中國、荷蘭、德國、丹麥等國的風電設備累計裝機容量位居全球前列。可見，風能產業是中國迅速發展的新興產業，而且中國擁有非常豐富的風能資源。相關調查研究表明，中國已有約 32.26億千瓦的風能累計儲量，可供利用的風能資源達 10.7億千瓦，中國擁有的風能開發潛力巨大，目前中國已有40家企業進入風能生產和零部件制造領域。中國政府及相關部門通過技術引進及自主開發等多種發展模式，使中國風能設備制造產業鏈已逐漸形成，形成了集齒輪箱、葉片機、偏航系統、鋼結構構件等零部件制造和主機制造為一體的完整產業鏈。這使得我國風力設備制造產業鏈已經逐步形成集齒輪箱、葉片機、偏航系統、鋼結構部件等零部件制造和主機生產的能力。

大型風電齒輪箱主要具有的結構有兩種，包括水平軸風力機和垂直軸風力機，當前在我國風力發電市場上主要應用水平軸發電機。一般情況下，風力機可運行20多年，而且風力機還可承受各種極端天氣和復雜的風荷載，但風力機也經常因風力機齒輪箱故障而導致整個機組運行癱瘓。舉例來說，丹麥的micon發生了數千起質量問題的齒輪更換事故。而在風力發電設備中，齒輪是一個非常重要的機械部件，主要通過風輪將風力動力傳遞給發電機，使發電機內軸承的轉動得到改善，但是，由于風輪的轉動速度較低，齒輪箱應該通過輔助齒輪的轉動速度來改善發電機軸承的轉動速度。通過對中國目前發展的裝備的總體結構要求進行分析，發現風輪驅動軸直接連接到齒輪箱，使用時需要通過膨脹調節裝置或輕率對接連接，通常是通過在齒輪箱的輸入或輸出端安裝制動器，通過制動器和葉片的聯合作用使機械設備的傳動系統制動。根據相關信息，在今后幾年，我國將會大力發展大型風電機組，并實現大型風電發電機組核心技術自主化的目標。2006年6月，重慶齒輪箱有限責任公司研制成功國內第一臺1.5MW風電齒輪箱。2007年6月初，該廠研制生產的國內最大的兆瓦級風電齒輪箱FL2000順利通過了各項技術指標測試和型式試驗，成功交付用戶使用。

2? 大型風電齒輪箱載荷技術分析

2.1? 大型風電齒輪箱的載荷譜

大型風電齒輪箱的負荷光譜主要是指風力機在各種運行狀況下進行的隨機負荷的實測和實時記錄。通過改變記錄的負荷大小和負荷發生頻率，以一種圖像或數學公式的方式進行表示，便可以稱之為載荷譜，通過對載荷譜進行分析便可以判斷風電齒輪箱的強度可靠性及風電齒輪箱在應用中的預期壽命。

我國在對齒輪箱承載能力進行計算的過程中，主要采用的kissoft和Romax均為國際通用軟件，雖然可以提供較為精準的計算結果，但是卻缺少了核心自主的軟件，使得在科研領域受制于人。而我國大型風電齒輪箱大多采用一級行星傳動和兩級平行軸傳動結構。目前，對大型風力發電機組齒輪箱的載荷譜進行測量，可以采用計數法、譜分析法等技術進行，通常載荷譜的特征呈現出最大值和最小值不會隨著時間的變化而發生變化，技術人員便可以通過載荷譜用于材料疲勞性實驗。負載譜反映了葉輪上的疲勞負荷，主要取決于多方面的因素，技術人員需要確定疲勞破壞的主要部位，收集隨機數據，通過壓縮負載時間的過程來對齒輪箱荷載進行計算和統計，確保載荷譜具備典型性、集中性和概括性，以更好地推斷出風電齒輪箱的疲勞壽命。

2.2? 大型風電齒輪箱的載荷分類

發電機的發展速度非常慢，因為不能滿足要求的旋轉速度，必須通過齒輪箱齒輪副來增速，因此，該齒輪箱又稱加速箱，根據機器設備的整體布置要求，有時還將與風輪輪轂直接連接的傳動軸（通常稱為大軸）與齒輪箱合二為一的情況，也有將大軸和齒輪箱分開布置的情況。為改善制動器的制動性能，在齒輪箱的輸入或輸出端安裝制動器，并配合葉尖制動（固定漿距風輪）或變液距制動器，使機器共用制動器驅動系統。

2.3? 大型風電齒輪箱運行中載荷停歇和持續時間的影響

風電齒輪箱在運行中可能會由于載荷具有一定的不確定性，或是對機組進行維修的過程中出現長時間的停機或間歇工作時間。由于風電機組的停機造成載荷中間停歇，這就使得一些易疲勞的材料得到了休息，延長了材料的使用壽命。在相關調查研究中得知，載荷停歇時間并不會對疲勞的極限值造成一定的影響，對于部分材料來說，載荷停歇時間對其造成的疲勞性影響較大，例如碳性鋼材料；而合金鋼材料對于載荷停歇時間的影響較小。我國部分學者對風電齒輪箱在載荷停歇中的疲勞壽命進行分析時認為，可以通過平均應力與材料疲勞壽命之間的關系進行判斷，通常當平均應力小于極限值時，材料的疲勞壽命增加，反之亦然。

2.4? 大型風電齒輪箱變載荷工況下軸承壽命計算

ISO軸承壽命計算方法。根據ISO281：1990標準，軸承的基本額定壽命為：

L10=（C/P）ε

式中L10—可靠度為90%的軸承基本額定壽命；

C—額定動載荷；

P—當量動載荷；

ε—壽命指數，對于球軸承為3，滾子軸承為10/3。

大型風電裝置在應用過程中所處的工作環境較為惡劣，這也使得風電裝置在應用中會承受較為復雜的載荷。但是當前我國對于復雜載荷的數據收集才剛剛起步，因此還未對處理復雜載荷數據形成一套系統化的方法，使得風力發電機組在工作過程中經常性地出現過壓載荷。當出現這些問題時，設計人員所應用的線性積累損傷理論，無法真實地反映出載荷值齒輪箱造成的破壞。

在對大型風電齒輪箱交變荷載的數據進行收集時，可以采用SKF和FAG結合的方式給出階梯載荷下的軸承壽命計算方法，在計算中以強調軸承等零部件的載荷譜為基礎，再根據等效載荷作為設計計算依據。并將軸承運行過程中的工作轉速、清潔度水平、工作溫度等影響因素進行考慮，通過利用SKF和FAG計算方法便可以對軸承壽命修正系數進行計算，由于這兩種計算方法趨勢相同，因此在相同條件下數值的偏差性較小。在計算中可以發現隨著軸承工作溫度的升高，修正系數也會隨之減小；隨著軸承轉速的降低，在相同溫度下修正系數越小。

2008年5月，由杭齒集團杭州前進風電齒輪箱有限公司研制開發的首臺1.5MW風電齒輪箱，通過沈陽遠大機電裝備有限公司的驗收，該臺風電齒輪箱在轉速、扭矩、升溫、振動等各項技術指標均達到了國家相關標準，即將交付客戶使用。

3? 大型風電齒輪箱幾何參數優化

齒輪箱是大型風力發電機中的重要機械部件之一，其主要任務是將風能產生的能量傳遞給發電機，使發電機快速轉動，把風能轉變成電能待轉。但由于環境因素的影響，風電機組的輸電負荷更加復雜，傳動系統在長時間運行中，不可避免會出現故障。

3.1? 數學模式

從風電齒輪傳動結構圖中可以看出，應選擇的設計變量主要有齒數、位移系數、方位系數、齒寬和螺旋角等，然后確定目標系數，該優化目標主要是保證各等級齒輪傳動具有相同的接觸疲勞強度。

3.2? 最佳做法

本文對大型風電齒輪箱進行了優化，采用的優化方法主要是復合型法。復合型法主要是指在N維設計空間的可實現區域內，由多個頂點組成的多面體，因此，本文提出了一種以最終復合型中目標函數值最小的點為優化目標函數的方法。

3.3? 優化成果

在程序界面上手動輸入基本參數按鈕，為便于結構組合，設置了由計算機編程設計的相應的優化軟件進行優化計算。輸入相應的條件參數，就可以通過軟件得到優化結果。除了設計變量外，還包括最佳點，即齒數、系數等變量構成的圓圈，因此齒數必須為滿足裝配限制條件的整數，且設備參數應符合相關國家標準。此外，為保證一定的強度，制作圓圈時系數應采用較大的標準值。

沈陽工業大學風能技術研究所的李樹吉等對三級平行軸的斜齒圓柱齒輪增速箱進行了研究，以齒輪箱質量最輕為目標建立了風電齒輪箱優化的數學模型，用SUNMT內點法進行了優化。福州大學的劉賢煥等對兆瓦以上的風電齒輪箱提出了由1個ZK—H（B）型差動行星輪系與1個ZK—H（A）型準行星輪系組合而成的封閉式行星輪系傳動方案，并以齒輪箱體積最小為目標函數建立了相應的數學模型，利用MATLAB優化工具對模型進行了求解。

4? 結語

風力發電機組在運行過程中所處的工作環境往往過于惡劣，并且風力發電機組在運行中所承受的載荷大小及方向很難進行判斷。這就使得風力發電機組在運行中需要承受瞬間載荷及短時間內的變幅交變載荷，對風力機組產生一定的疲勞性破壞。因此，通過對當前我國應用的大型風電齒輪箱展開系統且深入的研究，分析齒輪箱在工作中所承受的極限載荷、工作載荷、周期載荷等對齒輪箱結構造成的影響，提出科學合理的完善意見，對進一步促進我國風電行業的發展意義重大。

作者

劉桂然

國電聯合動力技術有限公司風電設備及控制國家重點實驗室

參考文獻：

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