风电齿轮箱讲义(2015.10.10)

1、风电齿轮箱结构类型与工作原理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及其质量控制和故障分析 刘其勇刘其勇 2015.10.10概述 双馈风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、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，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

2、发电机组增速齿制造相当关键。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，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。重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。目目 录录一、风力发电双馈机组轴系布置形式一、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）、一）、“三点支撑三点支撑”布置：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

3、脉动应力。（二）、（二）、“两点支撑两点支撑”布置形式：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）、（三）、“一点支撑一点支撑”布置形式：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）、（四）、“主轴和箱体集成式主轴和箱体集成式”：

4、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：目前风电齿轮箱的结构形式有：一级行星一级行星+两级平行轴两级平行轴二级行星二级行星+一级平行轴一级平行轴差动两级行星差动两级行星+一级平行轴一级平行轴差动三级行星差动三级行星+一级平行轴一级平行轴两级行星传动两级行星传动其它传动结构其它传动结构（一）、一级行星（一）、一级行星+ +两级平行轴两级平行轴三维图剖视图三维图剖视图二维图剖视图二维图剖视图带主轴的一级行星带主轴的一级行星+两级平行轴两级平行轴二维图剖视图二维图剖视图（二）、两级行星（二

5、）、两级行星+一级平行轴一级平行轴三维图剖视图三维图剖视图三维图剖视图三维图剖视图带主轴的两级行星带主轴的两级行星+一级平行轴一级平行轴二维图剖视图二维图剖视图（三）、差动两级行星（三）、差动两级行星+一级平行轴一级平行轴带主轴的差动两级级行星带主轴的差动两级级行星+一级平行轴一级平行轴二维图剖视图二维图剖视图（四）、差动三级行星（四）、差动三级行星+一级平行轴一级平行轴（五）、两级行星传动（紧凑型）（五）、两级行星传动（紧凑型）（六）、其它结构形式（六）、其它结构形式齿轮箱工作原理（以齿轮箱工作原理（以600KW齿轮箱为例）齿轮箱为例） 齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星齿轮箱的结构原

6、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风带动叶片转动，叶片通过轮毂把转速传到输入轴（轴（1）上。通过输入轴（）上。通过输入轴（1）上的花键把力矩传）上的花键把力矩传到行星架（到行星架（2）上，行星架通过内齿圈（）上，行星架通过内齿圈（3）行星）行星轮（轮（4）和太阳轮（）和太阳轮（5）组成的行星传动传到太阳）组成的行

7、星传动传到太阳轮（轮（5）上，太阳轮（）上，太阳轮（5）通过另一端的花键把力）通过另一端的花键把力矩传到大齿轮（矩传到大齿轮（6）上，大齿轮（）上，大齿轮（6）通过齿轮传）通过齿轮传动把力矩传到齿轮轴（动把力矩传到齿轮轴（7）上，齿轮轴（）上，齿轮轴（7）通过）通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（8）上。输出轴）上。输出轴（8）通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发电机）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。上，供发电机发电。 1 1、箱体：齿轮箱箱体由球墨铸铁制成。它具有抗扭曲功能，并、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

8、而具有良好的噪声情况和温度变化特性。同时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。油塞和箱体通风的放气塞。2 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。、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

9、轮箱的内齿圈均由调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。以更安全的方式传递扭矩。3 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、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压力润滑进行润滑的。高速端轴承始终受传感器监控 。4 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、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。式密封装置中溢出。 迷宫式密封装置后

10、端附装了迷宫式密封装置后端附装了V V型密封圈，型密封圈，避免杂质和水进入。避免杂质和水进入。三、齿轮、轴承润滑机理三、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，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。如果这些热动摩擦和滑动摩擦，

11、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，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。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：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。、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监

12、控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。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、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。行强制润滑。 下为润滑实例下为润滑实例：（以：（以1500KW齿轮箱为例）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1.1.根据产品图纸编制各零部件的机加工工艺；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，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；所

13、有零件的机加工工艺；2.2.根据毛坯订货图采购铸锻件产品毛坯；根据毛坯订货图采购铸锻件产品毛坯；3.3.根据产品工艺和图纸加工和检验各零部件根据产品工艺和图纸加工和检验各零部件4.4.根据产品的装配工艺装配齿轮箱根据产品的装配工艺装配齿轮箱5.5.按规范和技术协议要求进行型式试验按规范和技术协议要求进行型式试验6.6.样机在型式试验后的拆检检验样机在型式试验后的拆检检验7.7.检验合格后装配，做出厂试验检验合格后装配，做出厂试验8.8.扫尾、喷漆、发货。扫尾、喷漆、发货。产品制造流程图产品制造流程图根据设计图纸编写机加工工艺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采购铸锻件毛坯和小件

14、材料加工产品零件，合格后入库加工产品零件，合格后入库按装配工艺装配按装配工艺装配编写产品的装配工艺编写产品的装配工艺产品型式试验产品型式试验编写产品的试验大纲编写产品的试验大纲试验后拆检试验后拆检扫尾、喷漆、发货扫尾、喷漆、发货装配后出厂试验装配后出厂试验 1.1.工艺编制阶段工艺编制阶段 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

15、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。 2.2.零件的机加工阶段零件的机加工阶段 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。3.3.产品的装配阶段产品的装配阶段 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

16、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1、强度计算和校核：、强度计算和校核：(1) 齿轮强度计算和校核：齿轮强度计算和校核： 按按GB3480、DIN3990、ISO6336要求进行计算，校要求进行计算，校核齿轮的安全系数。核齿轮的安全系数。 (2)、轴承的寿命计算：、轴承的寿命计算： 按按ISO281要求进行计算，核算轴承设计寿

17、命。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：、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。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、其它强度计算和校核：如螺栓、花键、过盈计算等. 增速齿轮箱箱体的模态分析增速齿轮箱箱体的模态分析 增速齿轮箱系统耦合模态分析增速齿轮箱系统耦合模态分析耦合系统一阶振型耦合系统一阶振型 2、结构设计的质量控制：、结构设计的质量控制：(1)、审核外形是否满足用户要求；、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：、审核齿轮箱零部件的加工工艺性： (3)、

18、审核齿轮箱的装配工艺性：、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。、审核齿轮箱的密封结构是否合理。3、润滑冷却系统设计的质量控制：、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；、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；、核算齿轮箱的润滑油量； (3)、核算齿轮箱的冷却能力。、核算齿轮箱的冷却能力。 1、原材料原材料的质量控制的质量控制：(1)、锻钢件锻钢件原材料的质量控制原材料的质量控制 ； 重点控制化学成分、非金属夹杂物级别、锻造比、晶重点控制化学成分、非金属夹杂物级别、锻造比、晶粒度以及粒度以及N、H、O含量等。含量等。

19、(2)、球磨铸件球磨铸件原材料的质量控制；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）、低温冲击度、延伸率）、低温冲击 以及石墨大小、球化率等。以及石墨大小、球化率等。 (3)、其他零件其他零件原材料的质量控制原材料的质量控制： 按照图纸技术要求进行控制。按照图纸技术要求进行控制。2、热处理的质量控制热处理的质量控制：(1)、渗碳件渗碳件的质量控制的质量控制 ； 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。级别、碳化物级别和晶粒度等。(2)

20、、调质件调质件的质量控制；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。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氮化件或表面淬火件的质量控制：的质量控制： 重点控制硬化层深和表面硬度。重点控制硬化层深和表面硬度。3、无损检测无损检测：(1)、渗碳件渗碳件； 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。烧伤检测。(2)、调质件调质件； 超声波探伤。超声波探伤。 (3)、行星架和箱体行星架和箱体： 超声波探伤。超声波探伤。4、最终机加工的质量控制最终机加工的质量控制： 重点控制重要零部件的重点控制

21、重要零部件的尺寸公差和形位公差尺寸公差和形位公差，如齿轮、，如齿轮、轴、箱体和行星架等轴、箱体和行星架等 ；同时还要在；同时还要在三坐标进行复查。最后三坐标进行复查。最后形成零部件的终检报告。形成零部件的终检报告。 5、装配的质量控制装配的质量控制： 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轮着色、齿测间隙齿测间隙、清洁度清洁度等。等。 6、试验的质量控制试验的质量控制： 严格按照试验大纲的要求进行试验，重点检测齿轮箱严格按照试验大纲的要求进行试验，重点检测齿轮箱的的油温、油压、噪声、振动、效率油温、油压、噪声、振动、效率以及以及清洁度清洁度等等。等等。7、喷漆的质量控制喷漆的质量控制： 严格按照喷漆工艺要求进行喷涂，重点检测严格按照喷漆工艺要求进行喷涂，重点检测油漆厚度油漆厚度和附着力和附着力等。等。8、出厂检验：、出厂检验： 检查检查装箱清单的文件资料是否齐全，包装是否牢固，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。等等。 积极开展技术服务：包括编写产品积极开展技术服务：包括编写产品使用保养说明书使用保养说明书，帮助用户帮助用户培训培训操作维修人员，指导