3], a in in a in to of to a 通知 提交的稿件已被美国中西部研究所（ 员工接收 美国政府授权的一个代理机构，授权合同号 应地美国政府和有免版税许可，可以免费出版和再版该文献但是他们並不是唯一的免版税机构。由于政府管理的目的也允许其它机构出版和再版该文献。 本报告是作为一个由美国政府机构的代理处主办的┅项工作的工作报告无论是美国政府还是其任何代理机构，还是他们的雇员都不会以明示或暗示的方式对信息、仪器、产品或过程说奣的准确性，完整性有效性进行任何担保，或承担任何 法律责任也不会声称它的使用不侵犯任何人的权利。 本文中涉及的任何具体的商品工艺，或服务的商品名称商标，制造商或其它方面，并不意味着美国政府或其任何代理机构对其的认可推荐，或帮助本文莋者的观点和看法并不代表美国政府或其代理机构的观点和看法。 可用于加工费美国能源部 和它的承包商在论文中，从 美国能源部 科学技术信息办公室 62 信箱 橡树岭 7831话 真 子邮件 纸上向公众出售，可用来自 美国商务部 国家技术信息服务 5285 皇家港路 斯普林菲尔德， 2161 电话 真 子邮件 上订购 包括 20消费后废物 可再生能源实验室测功机试验台 增速风力发电电机测试 家风力技术中心 国家可再生能源实验室 1617 科尔大道 金，共 80401 咘瑞 恩麦尼夫 麦尼夫轻工业 43 狗岛路 港湾我 04642 简要 一个新的设施，最近已完成在国家可再生能源实验室允许增速风力发电电机组零部件全媔的测功机测试，完成从发电机的风力涡轮机本装置设有一个 瓦的电机，变速箱变速驱动系统提供轴扭矩。模拟风力机载荷 劳额定负荷系统等方面充分集成到设备这将允许致动器循环荷载的结构在各种不同的方式。 [正式 ]安然水平风公司已安装在设备的第一测试文章帮助成熟 列风机设计的试验包括制动控制系统调整，耐久性试验齿轮和轴承元件和结构测试。功率变换器的某些方面也 将测试本文介紹了测功机试验台及其功能。同时在综述水平测试的程序设计。 介绍 增速风力发电电系统有较大的增长在过去的十年虽然风电成本继續下降，每个涡轮机成本增加使原型的实证方法现场测试的风险越来越大 新的 涡轮机的设计，兆瓦级的原型是昂贵的建立和长单位生產时间消耗的生产利润。随着从原型到生产典型高峰制造商经常发现问题太晚在大批量生产运行修正开始。这会导致过早的失败和昂贵嘚改造风电机组传动问题的记录，包括变速箱故障和磨损轴承生活问题，发电机故障控制器引起的系统故障。 [1可能出现的问 创业初始极端 风力条件下，或可长期操作相关 在任何情况下，本及时发现和解决这些问题是在第一单元测试多年来，汽轮机制造商依靠实驗室检测的关键部件如转子叶片，减少 灾难性的现场 事件的潜在风险 [ 4 ]直到现在他们没访问能够测试整个涡轮驱动系统的设施，这是所囿发电机组的核心设计在国家可再生能源实验室（ 种新的测功机试验台（ 试验风机的传动系统和组件。从行业要求出世这个新设施极夶地改变到新的风力涡轮机系统的评价方法。它现在被用来验证的安然 [传动设计正式标记物 ]风公司 轮系统 设备描述 一般 描 述 于美国国家風能技术中心（ 致力于测试风电机组传 动系统。这些通常是由一些组合的齿轮联轴器，轴承轴，润滑系统齿轮箱，发电机控制器，和电源转换系统这可以从 100 千瓦到 瓦的范围内测试系统大小。测功机的原动机是一个可变的扭矩 变速电动机 控制的变频驱动系统。这 4160 伏电机连接到一个 瓦三级行星变速箱。测试文章可以连接到电机的高速轴齿轮箱的低速轴，或一个中间轴不同的速度和扭矩的要求 显礻了作战能力在每个轴系统的控制逻辑允许的转矩和速度 可连续变化，通过手动操作命令信号 或自动的方式数据采集与监控（ 令图 1 显礻了两个信封，每一个驱动轴的选项和一个实际的风力涡轮机设计极限曲线，用以指导测功机设计一组有代表性的实际风涡轮机的设計（现有的或计划中的）被表示为在这个图的数据点。这些数据根据其额定输出乘以 间的一个因素这是近似的的缩放因子，必须加快全壽命运行到几个月耐久性试验在连续运行驱动电机和变速箱总成安装到 169 千牛（ 38 吨）升降驱动表中有一个 直调整的跨度（ 10 英尺），倾斜的能力从 0 到 6 度一个 5 深口袋驾驶台下允许表的顶 部将 （ 2下等级水平。这个范围可以容纳多达 的高度（ 10 英尺） 图 1–W 测功机操作信封 表 2 借助四 222 芉牛（ 50 吨）电动螺旋千斤顶，位于该表的每一个角落螺旋千斤顶操作前后对绝对定位精度 25 毫米。（ 这种微调能力是内置到系统允许精确汾析传动系统的轴和试验第轴在适当的位置时，表在两反应墙对驾驶台两侧的垂直面此连接采用 10 角钢支架，螺栓通过驱动表和附加到垂直的 工成钢板安装到墙上表的运动是由一个可编程逻辑控制器（ 收的 确切位置从绝对位置编码器位于每个螺旋千斤顶的信息。这一信息翻译由轴的位置和角度设施配备 222 千牛（ 50 吨）电动桥式起重机运行的长度 90 英尺）试验台。吊挂件与多个控制速度的能力所有的测试文 嶂被机械地耦合到一个驱动系统中的三轴。测试的物品 安装槽底板嵌入在工厂的南端地或网格或者网墙 图 2–W 测功机电源回路 图 2 显示的电源囙路原理图工具布局 A 的形成一轴功率转换设备它是由测试电气能源和可再生反馈到第 网在 480。 4160 伏供电或电压它是由功 机。只有在传动系統的功率损失需要添加的属性显示在外面 10 枢纽设施保持系统运行在稳定州立图 3 显示图片的数据。轴的弯曲载荷大多数的风力涡轮机所经曆的负载是由风的作用在主轴轴的扭转和弯曲虽然许多动力，动力和惯性的影响结合创建不同的负载情况下，每一个的情况下通常鈳以减少扭转和在主轴 /集线器接口弯曲反应。轴的扭转往往是足够的测试时一个给定的设计齿轮的齿然而，如果一个测试的齿轮箱轴承，轴支撑台板，偏航或联轴器所需的附加轴的弯曲载荷，必须应用测功机驱动生产扭振，但弯曲载荷必须由侧加载千斤顶轴系统Φ的应用 在国家可再生能源实验室测功机，轴弯曲采用液压伺服系统和致动器能够提供高达 110 的事。采用液压驱动系统轴的弯曲载荷，可随着涡轮轴的旋转同步给周期每转轴荷载，代表 再生能力 在现场的瞬态条件下的风力涡轮机驱动系统的组件可能加速或减速对于┅个真正的模拟操作风轮机的转动惯量和刚度测功机的旋转部件应符合试验第转子系统。这是不容易的因为这些属性是固定在测功机的设計然而，惯性匹配可以通过增加或减少测功机驱动功率闭环转矩控制下的实现模拟代表转子质量属性的期望加速度在转速变化。刚度匹配可以通过聪明的杰克轴设计完 成 转矩和速度控制 测功机驱动可以运行在转矩控制和速度控制。在速度控制模式测功机可以 使用手動油门控制盘操作，或者它可以通过驱动按照规定的速度时程的 种模式具有测试是有用的 频调速系统的然而，速度控制可能不是很有用当测试一个固定的速度异步或同步发电机系统，或当惯性的影响是至关重要的转矩控制模式并不完全决定它，但它可能证明比起发电功率输出固定或可变转矩负载更加有用的影响我们的发电机速度瞬态负载测试将需要平衡旋转惯性扭矩控制 t。最终目标是形成风的力量測试项目的实际控制系统来符 合时间随机的湍流波动在闭环控制，随机风时程将被用来计算实时扭矩值通过简单的 C P 与（能量系数与尖端的速度比）的传输函数，或通过更复杂的代码如 6 ]。涡轮来控制适当的控制器功能 类型的测试 测功机测试的主要优点是负载测试机可鉯控制。的 测试类型分为风力机系统测试和组件测试 在大多数情况下，你必须安装的增速风力发电电机组传动系统进行测试代表从传遞荷载测功机。一些测试也可以进行不同类型的描述如下，但作者不认为这是一个详尽的列表增速风力发电电系统试验传动系统的耐玖性试验 耐久性试验是为了证明一个特定的疲劳寿命驱动系统确保它能够生存的整个工作生活。耐久性试验将涉及 3 至 6 在高负荷下连续运行數月结合重大应用瞬态负载的情况下，长期运行的频谱部分横向轴载荷作用下模拟实际操作转子弯曲载荷可以影响齿面接触应力和疲勞，轴承的寿命轴和轴承座。这样的测试要求高稳态功率水平的变化 的额定容量的测试文章。紊流风场模拟测试这种测试可以证明嘚正确操作在设计工况下汽轮机系统。操作底盘测功机的闭环转矩控制下随机风场数据是利用反馈计算机算法转换成轴扭矩从机的控制系统。严重的随机转矩 条件下可以模拟要求在所有条件下其操作的限制进行汽轮机控制系统加载事件测试这种类型的测试可以在极端测量汽轮机系统的响应操作事件。短暂的扭转和弯曲载荷对传动系统进行模拟真实的战场环境惯性系统可以使用的再生动力系统匹配电动變速传动。横向弯曲载荷可应用于传动轴轴承座或偏航系统重现特定的设计载荷情况。这种类型的测试还包括自诱导载荷来自测试机的蔀件和不进入转子系统的例子自我诱导的负载制动系统试验，发电机故障和电网故障发电机和正常瞬变。 组件测试 个别涡轮组件的测試通常是测试与评价的重点 对于整个系统 测功机可以 用于各种其他成分的排位和优化在现场安装或改造。可以进行测试对齿轮，轴軸承座，轴承分离发电机，控制系统制动，或电力电子元件有或没有代表性的传动组件。变速箱试验齿轮箱在风在广泛的现场故障源工业它往往是必要的测试，评估优化操作对个人的影响变速箱的部件来增加或降低机组成本的生活。 [ 7 ]一些齿轮测试包括 评估和减轻輪齿载荷 评估和减轻齿面磨损机制， 优化齿轮的润滑性能 优化油系统的水平，温度和过滤， 齿轮箱应力测量 轴承寿命试验，并 评估适当的齿啮合特定负载下建立最佳的铅和剖 面修改 发电机发电机是 – 的动力系统的一个重要组成部分。它有助于显着的机械载荷产生茬正常运行时整个传动系统故障。的一系列的条件下发电机的性能可以被分离和测试仪一些 发电机测试包括 评价电气特性和故障设置， 评价轴承和绕组温度 转矩速度特性测量， 确定起动转矩和极端的操作性能 决定系统的效率，并 瞬态响应特性的测量 控制系统也可鉯在这个过程中，评估这可能是高还是低了 速度（直接驱动）发电机。为了适应直接驱动发电机可能有过大的径向尺寸，测功机测试灣坑建成的试验段地板在这些情况下，部 分发电机可以安装在坑下面的测试海湾地板表面允许适当的高度以测功器输出轴匹配 试程序 景在成本分担美国能源部（ ，探测器已经努力降低的安装成本制造 列风机通过价值工程方法支持活动，公司已经安装了一个完全风力涡輪机配置 估降低成本的同时保持措施高质量和忍受各种操作和设计荷载的能力我们的组件在这个测试程序集中包括齿轮箱，齿轮元件軸和联轴器，制动器并且，在某种程度上轴承。测试分成四个阶段接触试验制动事件测试，微点蚀试 验和耐久性试验。这些讨论下面描述的目标和过程。 齿面接触试验 接触进行测试以验证正确啮合的齿轮弹性加载过程中发生的。这是在不同的负载水平使用一個简单的齿轮齿的绘画技术显示磨损模式。测功机需要做的好是因为它很难选择正确的并在该领域的可重复的负载水平结果在设计，制慥质量流程优化齿轮的几何形状和材料。 这一阶段 已成功完成的 前齿轮组图 4 显示的例子的磨损模式观察运行在恒定的负荷测功机 1 小时。 图 4 控制磨损 –齿轮的齿面接触模式的例子 制动事件试验 备的高速安装于轴上， 弹簧制动液压释放允许停止转子在发生变桨系统故障。这种冗余的系统称为在国际电工委员会（ 准 [ 8 ]和德国劳埃德批准文件第二阶段的测试减少制动反应载荷通过驱动器列车虽然各种减灾技術。这些技术主要集中在减少制动反应时间而提供的转矩上升温和和传动反应作为通过麦尼夫等人 [ 3 ]在一个显而易见的和可重复的描述，茬这些传动负载减少方式可以允许同时减少需要正确地传递这些载荷系统元素这，当然会导致较低的成本结构。这一阶段也被成功地唍成后四这种方法的评价 微点蚀试验 微观点蚀的研究 3 期目前正在进行中，而 且迄今为止，最激动人心的一因为它可以有一个广泛的各大未来风电齿轮箱的设计实践的影响水轮机模型。微蚀是失败的前兆是目前流行的水平在整个风电行业（以及其他行业以及），是保形的啮合齿轮表面研磨效果结果在细（ 100??在）在表面凹坑。这些细坑在短时间内深的凹陷，穿透硬化。最终可适当降低表面传递和反应嘚接触应力和弯曲载荷，从而加剧了问题这可以导致宏观点蚀和牙齿过早失效。安然想主动减少任何可能的过早损坏曝光评估各种微点蝕的抑制方法鉴于此， 3 阶段的重点是第一建立基线微点蚀特征通过加速高功率操作然后各种缓解方 法将测试量化的差异。这些方法包括替代表面光洁度表面电镀，和特种润滑油和润滑油添加剂 耐久性试验 最后，最好从测试前三个阶段产生的产品配置进行评估在 4 期的朂后一个耐力测试这耐力测试将需要几乎连续运行（与系统检查和定期维修站）在一个约1000 千瓦的功率水平的升高。此外非对称转子载荷，横摆动作和其他的时刻也会使用轴模拟 安装执行器。预计 1600 至 2000 小时将需要模拟人生 30 年这个测试的文章 总结 一个 瓦发电测功机设施已茬国家风能技术中心完成的，和首先本文试验已被用于成熟的增速风力发电电机组和设备本 身预计这种新的测试工具将加快风力涡轮机嘚设计的成熟和更可靠的风在 100 千瓦范围内的涡轮机和传动部件 计工况模拟可以直接应用到完整的风力涡轮机在实验室环境中。这样的模拟包括瞬态加载耐力测试，和不寻常的负载的情况下齿轮的齿面接触测试和制动负荷减轻测试已经完成了第一次测试的文章， 然风齿輪齿微点蚀机制和减灾技术测试现在下路，和涡轮不久将进行一个完整的系统耐久性试验 致谢 我们要感谢许多人帮助在测功机发展活动怹继续做这个项目的顺利。特别感谢风公司和安然支持和耐心他们在等待测功机可完 成了促进第一次测试的文章。个别的我们要认识箌安然风人员，汤姆 米尔米哈伊尔克雷格克里斯特森，卡尔寇地兹杰森诺特，弗莱德大通同时，我们将想认识齿轮神 勒拜克和鲍葧 已经提供了非常宝贵的建议在整个项目。教育过度导致技术人员和测功机的看门人在 称赞他的部分保持平稳运行。感谢托比 罗拉多永融谁负责 统及软件开发。吉姆和约翰逊李明博 献从一开始就和在使测功机在线工具最后，感谢美国能源部资金支持致力于发展测功试驗 台 参考文献 1。麦尼夫 B.， R. 同风齿轮疲劳寿命的变化涡轮制动策略 1990，太阳能研究所黄金科罗拉多美国。 2汤姆森， K. S. 速箱持续加载对夨速试验研究和变桨距风力涡轮机” 1992，罗斯基勒丹麦 家实验室。 3麦尼夫， B 和 Y J 。一个风力涡轮传动系统分析程序的开发 美国风能協会 4。 1994明尼阿波利斯，锰 4。范格罗尔 S.，强度和大型风力机转子的疲劳试验结果在转子叶片的机械试验 5滕问卷荷兰。 5凯利，北达科他州 计规范（ 随机，全流场紊流风 用叶和基础设计规范空气动力学仿真。 2000民族风技术中心。 6汉森，交流和 平轴风力机空气动力學年度流体力学的评论， 1993（ 25 期） 7。 风和规格的变速箱设计的推荐做法涡轮发电机系统” 1997，美国齿轮制造商协会亚历山大 国。 8 98／ 仂涡轮发电机系统， 1 部分安全要求” 1999，国际电工委员会日内瓦 包含有 纸 和说明书 ,咨询 i 摘 要 风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究真正掌握风电齿轮箱设计淛造技术，以实现风机国产化目标 本文设计的是兆瓦级增速风力发电电机组的齿轮箱，通过方案的选取齿轮参数计算等对其配套的齿輪箱进行自主设计。 首先确定齿轮箱的机械结构。选取一级行星派生型传动方案通过计算，确定各级传动的齿轮参 数对行星齿轮传動进行受力分析，得出各级齿轮受力结果依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求 最后，对齿轮传动系统进行了齿面接触应力计算结果符合要求。 关键词 十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风吹毁了四百座 风力 磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论风在数秒钟内就发出了一千万马力 即 750万千瓦；一马力等于 0． 75芉瓦 的 功率 有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有 100 亿千瓦几乎是现在全世界 水力发电 量的 10 倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源 近 10年增速风力发电电增长迅猛， 200姩以来 全球每 年风电装机容量增长速度为 20～30。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示 2008 年全球范围内新增风电装机容量 2 705 万 嘚全球风电装机容量达到 1 . 20 亿 2007 年增长 28 . 8。 1998～ 2008 年全球风电装机容量的增长情况如图 1所示。 图 我国的风电发展主要集中在 2003年以后 尤其是在风电特许权的带动下 ， 2006年我国除台湾外增加风电机组 1 454 台 增加装机容量 133 . 7 万 过去 20年 发展累积的总量还多 ，仅次于美国、 德国、 西班牙和印度 2008年叒新增风电装机容量 630万 增容量位列全球第 2，仅次于美国截至 2008年底总装机容量达到 1 215 比增长 106 ，总装机容量超过了印度 位列全球第 4，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列图 2反映了 2000年以来我国风电装机容量的增长。 图 国风电装机容量 包含有 纸 和说明书 ,咨询 2 - 增速风力发电电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成 其中 ，发电机承担将风能转换为电能的任务 是 增速風力发电电系统中的核心部件。随着增速风力发电电整体技术的发展 增速风力发电电机由早期的直流发电机、 笼型异步发电机等演变为當前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时增速风力发电电机自身技术水平的提高 ，又有力地促进了增速风力发电电整體技术的进步 例如 ，双馈异步发电机及其控制技术的成熟 使变速恒频增速风力发电电得以实现 ，成为当前增速风力发电电系统的主流因此 ，增速风力发电电机与增速风力发电电系统互为因果 相互促进。近年来增速风力发电电系统的容量不断增大 特别是低速直驱永磁增速风力发电电系统的快速发展 ，有力地促进了增速风力发电电机的设计、 制造、 控制以及运行维护水平的提高 各种新型增速风力发電电机不断出现。 本课题就是建立在对引进的兆瓦级增速风力发电电增速齿轮箱结构技术消化吸收的基础上对增速齿轮箱进行结构设计，为研发自主知识产权的风机增速齿轮箱打下基础 力发电国内外发展现状 增速风力发电电的快速增长带动了风电设备制造业的发展， 2007 年喥全球风电设备市场总价值达到 360 亿美元目前， 世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家如丹麦、 德国、 西班牙和美国等， 著名的公司有 麦 、 国 、 班牙 、 德国 、 度 等图 3 为 2007 年世界风电机组市场份额图。 2007 年 丹麦的 司占全球市场份额的 前 3 位公司占有了市场份額的一半多。值得一提的是 我国的金风科技股份有限公司也占据了 2007 年世界风电市场的 4. 2。 图 007 年世界风电机组市场份额 风电的快速增长同样刺激了我国风电设备制造业的发展并迅速崛起了像金风科技股份有限公司、 华锐风电科技有限公司、 湖南湘电 风能有限公司、 浙江运达增速风力发电电工程有限公司等风电设备制造企业。这些企业通过对国外风电技术的吸收再创新 形包含有 纸 和说明书 ,咨询 3 - 成了较大的生產规模。目前国内从事风电设备制造的企业达 50余家，而且配件制造企业队伍也在迅速扩大 2007 年我国新增装机容量中， 内资企业产品占 55. 9 其中金风科技的份额最大， 占新增总装机容量的 占内资企业产品的 44. 9 ;合资企业产品占新增装机容量的 外资企业产品占 42. 5 其中西班牙 新增装机嫆量的 39. 9 。国际上 兆瓦级以上的风电机组已经成为主流机型。如美国 主流机型 1. 5 丹麦 主流机型 2. 03. 0至 2006年我国风电机组 10， 126 2。根据国家发改委规劃我国未来的风电新增装机将以 1. 5 2 1 增速风力发电电发展的主要趋势 1 机组单机容量增大风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率，降低风场的占地面积 降低风电场运行维护成本，从而 提高风电的市场竞争力目前， 国际上主流的风电机组已达到 2 3 由德国 司研制的最大的 5電机组已投入运行其旋翼区直径达到 126 米。可以预见 3 52008 年 2 月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上， 有与会者甚至提出了 2020 年前开发出 20 2 海上風电迅速兴起海上风能资源丰富 且受环境影响小，海上风电场将成为一个迅速发展的市场目前丹麦、 德国、 英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展 较快。欧洲风能协会 测 2020年，欧洲海上风电总装机容量将达到 70 000然海上风电前景广阔但目前还有技术等方面的因素制约着它嘚发展。一方面 海上风电机组均为陆上风电机组改造而成， 而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下 如世界最大的海上風电场丹麦 恩礁风电场， 80 台海上风电机组故障率超过 70另一方面， 电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能因此， 海上风电嘚大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题 3 变速恒频技术快速推 广目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机， 双速运行在高风速段， 发电机运行在较高转速上 ;在低风速段发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单 可靠性高 ;缺点昰由于转速基本恒定，而风速经常变化因此机组经常处于风能利用系数较低的状态，风能无法得到充分利用随着风电技术的进步，风電机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比 变速运荇的风电机组具有发电量大、 对风速变化的适应性好、 生产成本低、 效率高等优点。因此变 速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国 司是目前全球生产变速风电机组最多的公司 4 全功率变流技术兴起近年来，欧洲的 公司都开发和应用了全功率变流的并网技术 使風轮和发电机的调速范围达到了 0 150的额定转速， 包含有 纸 和说明书 ,咨询 4 - 提高了风能的利用范围改善了风场上网电能的质量。 司还将原来对烸个风电机组功率因数的分散控制加以集中由并网变电站来统一调控，实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿全功率变流技术将茬今后大型风电场建设时得到推广 应用。 5 直驱和半直驱风电机组直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式 免去故障率较高的齿轮箱，在低风速时效率高且具有低噪声、 高寿命、 运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块 但甴于技术和成本等方面的原因， 在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱動之间的一种驱动方式，它采用一级齿轮箱增速 结构紧凑， 具有相对较高的转速和较小的转矩与传统的齿轮箱驱动相比， 半直驱增加叻系统的可靠性 ;而与大直径的直驱相 比半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。 图 电齿轮箱的发展趋势 风电产业嘚飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣风电齿轮箱作为风电机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注 风机增速齿轮箱是增速风力发电电整机的配套产品，是增速风力发电电机组中一个重要的机械传动部件它的重要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展 增速风力发电电机组通常安装 在高山、荒野、海滩、海岛等野外风口处，经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击并且常年经受酷暑严寒和极端温差的作用，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械产品高得多的要求 风电行业中发展最快，最囿影响的国家主要有美国、德国等欧美发达国家在风电包含有 纸 和说明书 ,咨询 5 - 行业中处于统治地位。欧美发达国家早已开发出单机容量達兆瓦级的增速风力发电电机并且技术相对成熟，具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验而且商业化程度比较高，因此在国际增速风力发电电领域中处于明显的优势和主导地位 国外兆瓦级风电齿轮箱是随 起来的， 风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外国外通过理论分析及试验测试对风电齿輪箱的运行性能进行了系统的研究，为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据 尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟，但统计数据表明齿轮箱出现故障仍然是故障的最主要原因，约占风机故障总数的 20％左右由于我国商业化大型增速风力发电电产业起步较晚，技术上较歐美等风能技术发达国家存在报大差距我国在九五期间开始走引进生产技术的路 子，通过引进和吸收国外成熟的技术成功研发出了兆瓦级以下增速风力发电电机。 在的问题及展望 尽管我国风电齿轮箱国产化工作近年来取得了长足的进步基本掌握了兆瓦级以下机组的设计淛造技术并形成了 60000目前仍存在以下问题 1 国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据对国外技术尚未完全消化自 主创新能力不足 2 严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才，缺乏高水平的系统设计人员 3 未完全掌握大型风电增速箱的设计制造技术产品以仿制为主 可靠性不高 , 质量稳定性较差。掌握设计制造技术的企业数量较少无论是产品数量还是产品质量都难以满足市场需要 4 缺乏大型试验装置及测试手段。 5 缺乏行业资源共享信息互通，共同发展的平台和机制 增速风力发电电是清洁可再生能源，蕴存量巨大具有實际开发利用价值。中国水电资源370 能资源有 250 东省水电资源 W沿海风能可开发量 H40 mW。也就是说风能与水能总量旗鼓相当。大量风能开发不可能靠某个部门或行业的财政补贴就能解决商业化不仅是市场的 要求，也是增速风力发电电发展的自身需要所以，增速风力发电电商业囮是必由之路可行之路。增速风力发电电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件包含有 纸 和说明书 ,咨询 6 - 其主要功用是将风轮在风力作鼡下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮 箱齿轮副的增速作用来实现故也将齿轮箱称之为增速箱。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風轮、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作条件 开发新能源是国家能源建设实施可持续发展战畧 的需要，是促进能源结构调整、减少环境污染、推进技术进步的重要手段增速风力发电电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件囷商业化发展前景的发电方式之一。 1由于我国风电产业起步较晚缺乏基础研究积累和人才，我国在增速风力发电电机组的研发能力上还囿待提高总体来说主要以引进国外先进技术为主。目前国内引进的技术有的是国外淘汰的技术，有的图纸虽然先进但受限于国内配套厂家的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能仍有一定差距所以，在引进国外风机技术的同时开发自主知识产權的兆瓦级增速齿轮箱，是加速我国风电产 业的一项重要任务 2增速齿轮的设计和制造技术是整个增速风力发电电机组的关键技术，关系箌整个增速风力发电电机组的命运因此，要加强齿轮的研究对齿轮进行结构设计，提高齿轮的啮合质量降低噪声，保证齿轮机械效率提高齿轮的运行可靠性。 3增速齿轮箱以渐开线齿轮为主人们对标准的渐开线齿轮有了一套比较成熟的设计、强度计算和加工方法。兆瓦级增速齿轮对渐开线齿轮传动提出了新的要求在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动这就对齿轮分析的计算精度提出了很高要求，高精度齿轮分析是轮齿承载能力、振动、噪声及修形 等研究的基础因此，建立准确的分析模型准确求解受载轮齒的载荷分布对修形规律的研究具有重要意义。 论文的主要内容包括是介绍了增速风力发电电的现状发展趋势及现在各个国家对增速风仂发电电的重视程度。我国现在增速风力发电电的总体情况、增速风力发电电机传动链设计等增速风力发电电机传动链主要分为主轴、齒轮箱（增速箱）、机械刹车以及相关组件。齿轮箱作为风机上的零件的重要作用齿轮箱的发展。还有就是整篇论文关于齿轮箱的设计過程及校核等等。还有 截取了一些图片附于论文上 设计此 次的行星轮系的齿轮箱，我们拟部分采用减速器的设计方法再结合书籍资料完成增速风力发电电齿轮箱的设计，校核及优化的一系列工作。 关于行星轮系的传动比及齿轮的计算，会参照机械原理等一些书籍嘚部分内容进行还有关于轴的校核，键等等和齿轮箱的使用和维和等等。 包含有 纸 和说明书 ,咨询 7 - 主要的参数如下 表 1风电增速箱主要参數 发电机额定功率 5000入转速 出转速 动形式 一级行星两级斜齿轮 总传动比 97 主轴承 自调心滚子轴承 并明确规定依据 行齿轮计 算按 3 倍额定功率计算静强度 级，齿面硬度 齿轮采用 20 （ 1） 齿轮传动通用设计标准 1）相关的中国国家标准 风电齿轮箱的传动设计中需要参照通用设计标准 3480开线圓柱齿轮承载能力计算方法。 要用于齿轮的齿面耐点蚀和齿根承载能力设计对于齿轮胶合承载能力的计算，需要参照 6413 2）相 关的其他标准 國际标准（ 德国标准（ 齿轮传动设计中起到重要作用其中有关圆柱齿轮承载能力的主要设计标准源于 990。该标准包括 5个子集与国际标准 336基本对应。对于齿轮胶合承载能力的计算相关的参照标准为 R 13989 （ 2）风电齿轮箱专用标准 我国于 2003 年 9 月颁布了 G B/ 2003 增速风力发电电机组 齿轮箱标准 鉯下简称 19073 标准 ,对风轮扫掠面积大于等于 40m 2 的风电齿轮箱的技术要求、 试验 方法、 检验规则及标志、 包装、 运输和储存提出了概括性要求 ; 美国風能协会 和齿轮协会 A 于 2003 年 10 月制定了新的风力机齿轮箱标准 “ , 用于替代 A/ 21 - 并于 2004 年 1 月上升为美国国家标准 , 即 A/ 以下简称 6006 标 准 。该标准对 40 2增速风力发電电齿轮箱的设计、 制造、 使用等作了详尽的规定 6006 标准被世界上许多国家采用 ,是风电齿轮箱领域影响最大的一个标准。国际标准化组织 2005 姩采用快速程序 , 直接采用该标准作为国际标准 4 2005 包含有 纸 和说明书 ,咨询 8 - 19073 标准规定齿轮箱的工作环境温度为 - 40 ℃～ 50 ℃ , 齿轮箱最高温度不得大于 80 ℃ , 机械效率应大于 97 , 噪声应不大于 85 机械振动应满足 G C 级要求。 19073 标准和 6006 标准都要求齿轮箱正常工作寿命不小于 20 年 , 但也有资料要求风功率密度 4 级时嘚设计寿命为 20 年 ,3 级时为 30 年对零部件来说 , 通常要求齿轮寿命达到 17. 5 万小时 [7] , 轴承寿命 13 万小时 [6 ,7] 。 6006 标准的正文部分包括适用范围、 引用标准、定义囷符号、设计规范、 齿轮箱设计和制造要求以及润滑等内容 , 对齿轮强度计算方法以及轴承使用情况、 要求寿命、 最大应力等作了具体规定 速齿轮箱方案设计 根据 传动链布局和风轮主轴支撑形式的要求，齿轮箱的结构可能有较大差异但其主体一般由箱体、传动机构、支撑構件、润滑系统和其他构件构成。 齿轮箱体需要承受来自风轮的载荷同时要承受齿轮传动过程中产生的各种载荷。箱体也是主传动链的基础构件之一需要根据风电机组总体布局设计要求，为风轮主轴、 齿轮传动机构和主传动链提供可靠地支撑与连接将载荷平稳传递到主机架。 传动机构是实现齿轮箱增速传动功能的核心部分通常由多级齿轮传动副和支撑构件组成。 可靠的润滑系统是齿轮箱的重要配置可以实现传动构件的良好润滑。同时为确保 极端环境温度下的润滑油性能，一般需要考虑设置相应的加热和冷却装置 风电齿轮箱还應设置对润滑油、高速端轴承等温度进行实时监测的传感器，防止外部杂质进入的空气过滤器以及雷电保护装置等附件。 齿轮传动装置嘚种类较多按其传动形式大致可分为定轴齿轮、行星齿轮和组合传动的齿轮箱；按传动级数可分为单级或多级齿轮箱；按布置形式可分為展开式、分流是和同轴式等形式的齿轮箱。 风电齿轮箱要求的增速比通常较大一般需要多级的齿轮传动。目前大型风电机组的增速齿輪箱典型设计多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合齿轮系的传动方案。其中 对于兆瓦级风电齿轮箱传动比多在 100左右，一般有两种传动形式一级行星 两级平行轴圆柱齿轮传动两级行星 一级平行轴圆柱齿轮传动。相对于平行轴圆柱齿轮传动行星传动的以下优点传动效率高，体积小重量轻，结构简单制造方便，传递功率范围大使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置，使轴向尺寸包含囿 纸 和说明书 ,咨询 9 - 大大缩小而；运动平稳、抗冲击和振动能力较强在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高由于体积小、散热面积 小导致油温升高故要求严格的润滑与冷却装置。这两种行星传动与岼行轴传动相混合的传动形式综合了两者的优点。 依据提供的技术数据经过方案比较，总传动比 i97采用一级行星派生型传动，即一级荇星传动 两级高速轴定轴传动为补偿不可避免的制造误差，行星传动一般采用均载机构均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能仂、啮合平稳性和可靠性同时可降低对齿轮的精度要求，从而降低制造成本 对于具有三个行星轮的传动，常用的均载机构为基本构件浮动由于太阳轮重量轻，惯性小作为均载浮动件时浮动灵敏，结构简单被广泛应用 于中低速工况下的浮动均载，尤其是具有三个行煋轮时效果最为显著。设计齿轮箱的转动比为 1 97由于减速比较大，按照此转动比齿轮箱的结构形式可设计为一级行星传动 两级斜齿轮傳动。 齿轮传动方案一 两级 特点结构比较复杂可满足较大速比的传动要求，传动比 40160 图 齿轮传动方案二 行星齿轮与平行轴圆柱齿轮混合式 特点低俗部分为行星齿轮传动可使功率分流，同时合理应用了内啮合结构较紧凑。后两级为定轴圆柱齿轮传动可合理分配速比，提高传动效率 包含有 纸 和说明书 ,咨询 10 - 图 依据提供的技术数据经过方案比较， 行星传动有以下优点传动效率高体积小，重量轻结构简单，制造方便传递功率范围大，使功率分流；合理使用了内啮合；共轴线式的传动装置使轴向尺寸大大缩小而；运动平稳、抗冲击和振動能力较强。在具有上述特点和优越性的同时行星齿轮传动也存在一些缺点结构形式比定轴齿轮传动复杂；对制造质量要求高由于体积尛、散热面积小导致油温升高，故要求严格的润滑与冷却装置两者比较决定采用第二种方案 ,即一级行星 两级平行轴圆柱齿轮传动。 图 行煋齿轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷要实现这一目标行星轮系各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。 1保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合即满足同心条件321 2 ?。 2保证 3个均布的行星轮相互间不发生干涉即满足邻接条件。 1 2 2180 s i n 2 Z ? ?（ 包含有 纸 和说明书 ,咨询 11 - 3设计行煋轮时为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布为使相邻两个行星轮不相互碰撞，必须保证它们齿頂之间在连接线上有一定问隙 保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀地分布在两太阳轮之间即满足安装条件 ? /31c 为整数，装配行煋轮时为使各基本构件所受径向力平衡，各行星轮在圆周上应均匀分布或对称分布 4保证轮系能够实现给定的传动比 即满足传动比条件。当内齿圈不动时有1/ 113 ?? 以上各式中 1Z 中心太阳轮齿数； 2Z 行星轮齿数； 3Z 内齿圈齿数； K 行星轮个数； 齿顶高系数 根据行星轮系的传动所需要滿足的条件。 两级定轴的传动比 i 则一级行星传动1i 角标 1表示低速级输入端， 21 ?? bb 每个行星轮的传递的功率 P5000作寿命为 20年 参数计算 度等级，材料及齿数 1）选择直齿圆柱齿轮 2）齿轮精度等级为 5级精度。 3）材料选择为 20处理应为淬火 4）初选小齿轮齿数为12 2 0 3 1 30。 2/2 ?? 2 ?? ∴ A1wn 2?1nZ d? 1?22 包含有 纸 和说明书 ,咨询 12 - E A 2B 查得 1i 中 齿轮的接触疲劳极限； c? 载荷不均匀系数； d? 对分度圆直径的齿宽系数； ?? 动载荷系数 ?? 接触强度计算的壽命系数； ??? 接触强度计算的齿向载荷分布系数； ?? 齿面工作硬化系数； ? ?2131.t h ed a z ?????? ??????（ 1确定公式内各计算数值 2計算 根据经验选取螺旋角 °压力角 n?° ∴ t 25? ?° 1配齿计算 取 3?a /1C ， 适当调整 1i 3 34, ∴ 20 , 82 31 c b ?? 输入功率3 5 2 0 8 P K W小齿轮转速为 动比 i作寿命 20年。 （ 1）选定齿轮类型精度等级，材料及齿数 1）选择斜齿圆柱齿轮 2）齿轮精度等级为 5级精度。 3）材料选择为 20处理应为淬火 4）初选小齿轮齿数 为76 2 2 1 0 1 5）初选螺旋角 14? °。 （ 2）按齿面接触强度设计? ?2131.t h ed a z ?????? ??????1确定公式内各计算数值 2计算 包含有 纸 和说明书 ,咨询 16 - 计算齿宽 m30 计算纵向偅合度B?算载荷系数A V H Hk k k k k???输入功率2p齿轮的转速为 动比 i递的转矩1T8 1 5 5 5 9 用寿命为 20年。 （ 1）选定齿轮 类型精度等级，材料及齿轮 1）选择斜齿圆柱齒轮 2）齿轮精度等级为 5级精度。 3）材料选择为 20处理应为淬火 4）初选小齿轮齿数为54 2 4 8 3 5）初选螺旋角 10? ° （ 2）按齿面接触强度设计 ? ?2131.t h ed a z ?????? ??????1确定公式内各计算数值 2计算 计算齿宽 m13 计算纵向重合度B?算载荷系数A V H Hk k k k k???速轴上的一对齿轮系参数为 7 6 7 6123 0 , 7 , 2 ? ? ? ? ? ???包含有 纸 和说明书 ,咨询 17 - 行星齿轮传动的主要受力构件有中心轮、行星轮、行星架、轴及轴承等。为进行齿轮的强度计算需要对行星輪以及太阳轮进行受力分析。当行星轮数目为 3假定各套行星轮载荷均匀，只需分析其中任一套行星轮与中心轮的组合即可通常略去摩擦力和重力的影响，各构件在输入转矩的作用下平衡构件间的作用力等于反作用力。 图 行星架输入功率为 1T 太阳轮输出功率为 增速传动仳为 i，太阳轮节圆直径为据斜齿圆柱齿轮传动受力分析公式齿轮所受切向力、径向力、轴向力分别为 1 1 2 22 0 0 0 / 2 0 0 0 / d T d??t a n / c o sr t ??? ?? 式中 法面压力角 ? 汾度圆螺旋角 主动轮齿宽中点处直径 1d 主动轮分度圆直径 1T 表示额定转矩 按照上述公式计算低速级各个齿轮的受力情况

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