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风电齿轮箱结构类型与工作原理及其质量控制和故障分析刘其勇2015.10.10概述•双馈风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、控制系统、发电机、塔架等组成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的发电转速，以供发电机能正常发电。因此增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。一、风力发电双馈机组轴系布置形式二、风电齿轮箱的传动结构类型与工作原理三、风电齿轮箱齿轮、轴承润滑机理四、风电齿轮箱制造流程介绍五、风电齿轮箱的质量控制六、风电齿轮箱的损坏类型及其原因和处理方法目录一、风力发电双馈机组轴系布置形式目前双馈风力发电机组的机械轴系布置形式有四种：1、三点支撑形式。2、两点支撑形式。3、一点支撑形式。4、主轴和箱体集成式。(一）、“三点支撑”布置：1、主轴省去后轴承支撑，简化了机构，但使齿轮箱的载荷复杂化；2、箱体下垂现象比“两点式”严重，必须增强扭力臂；3、高速端采用的高弹联轴节要减少对高速轴轴承的脉动应力。（二）、“两点支撑”布置形式：这种方式虽然保守，但却有多年的运行经验，比较可靠。1、为承受风轮载荷，主轴尽量加强，让齿轮箱仅传递扭矩和升速。2、“静不定”问题的处理：主轴与齿轮箱柔性联接（应用高弹、液力联轴器）。3、因重量引起轴线下垂，增加了高速轴损坏的几率，需改善扭力臂的支撑结构。4、建议采用整体式底盘，避免分体支架造成轴线的偏移。（三）、“一点支撑”布置形式：1、关键技术——双排滚锥轴承的研制；2、风轮所有变异载荷和激振全部由齿轮箱机承受，有较大的风险；3、难以布置柔性联接结构。（四）、“主轴和箱体集成式”：1、悬臂行星架；2、内齿圈单面联接（弹性补偿）。二、风电齿轮箱的传动结构类型与工作原理目前风电齿轮箱的结构形式有：一级行星+两级平行轴二级行星+一级平行轴差动两级行星+一级平行轴差动三级行星+一级平行轴两级行星传动其它传动结构（一）、一级行星+两级平行轴三维图剖视图二维图剖视图带主轴的一级行星+两级平行轴二维图剖视图（二）、两级行星+一级平行轴三维图剖视图三维图剖视图带主轴的两级行星+一级平行轴二维图剖视图（三）、差动两级行星+一级平行轴带主轴的差动两级级行星+一级平行轴二维图剖视图（四）、差动三级行星+一级平行轴（五）、两级行星传动（紧凑型）（六）、其它结构形式齿轮箱工作原理（以600KW齿轮箱为例）•齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星—平行轴混合传动的紧凑结构；低速级转速低，扭矩大，采用行星传动。第二级、第三级扭矩小得多，采用斜齿传动。其具体原理为：首先，通过风带动叶片转动，叶片通过轮毂把转速传到输入轴（1）上。通过输入轴（1）上的花键把力矩传到行星架（2）上，行星架通过内齿圈（3）行星轮（4）和太阳轮（5）组成的行星传动传到太阳轮（5）上，太阳轮（5）通过另一端的花键把力矩传到大齿轮（6）上，大齿轮（6）通过齿轮传动把力矩传到齿轮轴（7）上，齿轮轴（7）通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（8）上。输出轴（8）通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发电机上，供发电机发电。1、箱体：齿轮箱箱体由球墨铸铁制成。它具有抗扭曲功能，并通过模塑成形而具有良好的噪声情况和温度变化特性。同时具有抗低温的性能。箱体上已准备有足够多的运输吊环、观察和装配盖板。另外还有检查油位的油位计，用于换油的放油塞和箱体通风的放气塞。2、齿零件：齿轮箱带齿零件除内齿圈外其余都经过渗碳处理。所有齿轮都要经过磨削。通过高精度齿轮降低了齿轮箱的噪声级并确保齿轮箱的运行安全。行星齿轮箱的内齿圈均由调质钢制成。齿轮通过过盈配合与轴连接。这种连接方式可以以更安全的方式传递扭矩。3、轴承：所有轴均通过滚动轴承支承。滚动轴承的润滑是通过压力润滑进行润滑的。高速端轴承始终受传感器监控。4、轴封：齿轮箱采用全迷宫密封方式。确保润滑油不会从迷宫式密封装置中溢出。迷宫式密封装置后端附装了V型密封圈，避免杂质和水进入。三、齿轮、轴承润滑机理齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因是其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。•对于风电齿轮箱，对于所有的齿轮和轴承我们都要采用强制润滑。原因有：•1、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。•2、现在风电齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大，因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。•下为润滑实例：（以1500KW齿轮箱为例）平行级齿轮的润滑四、风电齿轮箱制造流程介绍1.根据产品图纸编制各零部件的机加工工艺；编制铸锻件毛坯订货图，齿轮和轴类零件粗车图，所有零件的机加工工艺；2.根据毛坯订货图采购铸锻件产品毛坯；3.根据产品工艺和图纸加工和检验各零部件4.根据产品的装配工艺装配齿轮箱5.按规范和技术协议要求进行型式试验6.样机在型式试验后的拆检检验7.检验合格后装配，做出厂试验8.扫尾、喷漆、发货。产品制造流程图根据设计图纸编写机加工工艺采购铸锻件毛坯和小件材料加工产品零件，合格后入库按装配工艺装配编写产品的装配工艺产品型式试验编写产品的试验大纲试验后拆检扫尾、喷漆、发货装配后出厂试验1.工艺编制阶段根据技术部门设计的产品图纸，编制铸锻件零件的毛坯订货图，毛坯粗车图，各零部件的机加工工艺。主要零件的工序流程如下：a.齿轮件毛坯锻造正火粗车毛坯探伤热处理半精车滚齿渗碳淬火喷丸精车磨齿磁探磨削烧伤检查b.箱体铸造去应力划线粗镗去应力精镗钻孔,攻丝终检铸造去应力划线粗车粗镗去应力钻孔,攻丝终检c.行星架精镗终检工艺中提出了零件每个工序的加工或者热处理要求，指导零件按工序流程进行操作，保证零件的工艺性能要求，达到图纸的设计标准。2.零件的机加工阶段采购部根据毛坯订货图采购零件毛坯，并按相关的标准进行验收。行星架和箱体等铸件按球铁件标准验收，锻钢件按锻钢件标准验收，各铸锻件粗加工后探伤检查，合格后进入机加工阶段。按零件的机加工工艺执行，按工艺流程进行周转和加工，同时对每个工序进行检验，检验合格后进入下一道工序，零件加工完后进行终检，检验合格进行油封保养后即可入库。3.产品的装配阶段产品图纸下发后，根据图纸的设计要求，编制产品的装配工艺，装配方案确认后，组织公司相关专家进行装配方案评审，分析装配工艺的优劣，确认最优的装配方案，评审后细化装配工艺，再次审核后执行。按流水线的装配模式分部套进行装配，然后再总装的方式，装配流程如下：零部件清洗第一级行星架部套后箱体部套装入一级行星总装二级行星与后箱总装第二级行星架部套后箱体齿轮轴部套终检前箱、法兰部套五、风电齿轮箱的质量控制（一）、设计过程质量控制——产品质量问题80％来源于设计质量问题1、强度计算和校核：(1)齿轮强度计算和校核：按GB3480、DIN3990、ISO6336要求进行计算，校核齿轮的安全系数。(2)、轴承的寿命计算：按ISO281要求进行计算，核算轴承设计寿命。(3)、箱体和行星架的强度校核：采用有限元分析计算箱体和行星架的强度。(4)、其它强度计算和校核：如螺栓、花键、过盈计算等.（一）、设计过程质量控制箱体应力云图箱体综合位移图1、强度计算和校核：（一）、设计过程质量控制行星架应力云图行星架综合位移图1、强度计算和校核：（一）、设计过程质量控制一阶振型二阶振型1、强度计算和校核：增速齿轮箱箱体的模态分析1、强度计算和校核：增速齿轮箱系统耦合模态分析耦合系统一阶振型（一）、设计过程质量控制2、结构设计的质量控制：(1)、审核外形是否满足用户要求；(2)、审核齿轮箱零部件的加工工艺性：(3)、审核齿轮箱的装配工艺性：(4)、审核齿轮箱的密封结构是否合理。。。（一）、设计过程质量控制3、润滑冷却系统设计的质量控制：(1)、评审润滑系统原理是否全面合理；(2)、核算齿轮箱的润滑油量；(3)、核算齿轮箱的冷却能力。。。（一）、设计过程质量控制（二）、制造过程的质量控制1、原材料的质量控制：(1)、锻钢件原材料的质量控制；重点控制化学成分、非金属夹杂物级别、锻造比、晶粒度以及N、H、O含量等。(2)、球磨铸件原材料的质量控制；重点控制球墨铸铁的机械性能（含抗拉强度、屈服强度、延伸率）、低温冲击以及石墨大小、球化率等。(3)、其他零件原材料的质量控制：按照图纸技术要求进行控制。2、热处理的质量控制：(1)、渗碳件的质量控制；控制渗碳层深度、表面硬度、芯部硬度、残余奥氏体级别、碳化物级别和晶粒度等。(2)、调质件的质量控制；控制本体样的机械性能、冲击功以及硬度的复验。(3)、氮化件或表面淬火件的质量控制：重点控制硬化层深和表面硬度。（二）、制造过程的质量控制3、无损检测：(1)、渗碳件；粗加工完后超声波探伤，精加工完后磁粉探伤或磨削烧伤检测。(2)、调质件；超声波探伤。(3)、行星架和箱体：超声波探伤。（二）、制造过程的质量控制4、最终机加工的质量控制：重点控制重要零部件的尺寸公差和形位公差，如齿轮、轴、箱体和行星架等；同时还要在三坐标进行复查。最后形成零部件的终检报告。5、装配的质量控制：严格按照装配工艺和图纸的要求进行装配，重点控制齿轮着色、齿测间隙、清洁度等。6、试验的质量控制：严格按照试验大纲的要求进行试验，重点检测齿轮箱的油温、油压、噪声、振动、效率以及清洁度等等。（二）、制造过程的质量控制7、喷漆的质量控制：严格按照喷漆工艺要求进行喷涂，重点检测油漆厚度和附着力等。8、出厂检验：检查装箱清单的文件资料是否齐全，包装是否牢固，外形接口尺寸是否合格和完整，包装箱外的唛头是否正确等等。（二）、制造过程的质量控制（三）、使用过程的质量控制积极开展技术服务：包括编写产品使用保养说明书，帮助用户培训操作维修人员，指导用户安装和调试，建立维修服务网点，提供用户所需备品配件等；现场售后服务要：及时＋高效（尽快恢复机组运行）。同时进行使用效果与使用要求的调查；及时整改。提高售后服务，变“三包”（包修、包换、包退）为“三保”（保证向用户提供优质产品、充足的配件以及良好的服务）。安装运行时特别注意：1、严格按《产品使用维护说明书》的要求设置齿轮箱的控制要求：油温、油压等。2、运行时切记：不能屏蔽控制信号。（三）、使用过程的质量控制六、风电齿轮箱的损坏类型及其原因和处理方法损坏部件故障比例（%）损坏表现形式齿轮60断齿、点蚀、胶合、磨损、疲劳裂纹、其他轴承19烧伤、滚珠脱出、保持架变形轴10断裂、磨损箱体7变形、裂开紧固件3断裂油封1磨损上表中列举了齿轮箱中各类零件损坏的百分比。由表可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大，为60%。说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加工中是一种高度复杂的成形零件，而在高速、重载下运行的齿轮，其工作条件又相对比其他零部件恶劣。1.疲劳1.局部断齿2.过载3.冲击1.过载2.磨损2.润滑剂不洁齿轮轮齿1.齿面硬度低3.点蚀2.过载损伤原因3.载荷不均1.供油不良4.胶合2.齿轮精度低3.温度过高4.齿面硬度低1.疲劳5.齿根疲劳裂纹2.过载3.齿根圆角处热处理或加工缺陷图示为齿轮主要故障形式及其原因齿轮的故障特征与故障间的关系故障原因故障排除方法齿轮箱噪声改变齿轮损坏通知售后服务部，检查带齿零件，需要时更换受损零件轴承间隙过大通知售后服务部，调节轴承间隙轴承故障通知售后服务部，更换受损轴承轴承温度上升油位过低在室温下检测油位，需要时重新注油。油老化检查上一次换油时间，需要时换油，轴承故障通知售后服务部，检查轴承，需要时更换受损轴承轴承和进油孔发生油淤塞现象清除淤积物，清洗进油孔(过滤油或者更换)