大型风电齿轮箱关键设计技术探讨

大型风电齿轮箱关键设计技术探讨

张先江

张先江

南京高速齿轮制造有限公司江苏南京210000

摘要：本文主要以大型风电齿轮箱关键设计技术为重点进行阐述，以风电齿轮箱的载荷分析为主要依据，从工作载荷、周期性载荷、最大工作载荷、瞬间载荷几个方面进行研究分析，其目的在于保障风力发电机能够更加稳定的运行。

关键词：大型风电齿轮箱；设计计算；齿轮箱；风力发电机

引言：古往今来，人们利用风能的历史已经长达几千年的历史，但是受到生产力水平以及科学技术水平因素的影响，风能一直没有受到人们的广泛关注。但是随着石油能源的枯竭以及生态环境的恶化，风能逐渐受到了人们广泛的关注。尤其是在上世纪七八十年代，石油危机以及核电危机问题的发生，使得人们更加深刻的认识到风能等其他可再生能源利用的重要性，而且风能资源本身还具有一定的可再生性、绿色环保等特点，所以，逐渐受到人们更高重视。随着人们对于风电技术的不断研究利用，风力发电逐渐在世界能源利用的这一领域当中占据较高的地位，人们逐渐加快了对风力发电机的研究。基于此，为了能够使得风力发电机得到更好的应用，就需要加强对风电齿轮箱的研究，进一步保障风电齿轮箱的可靠运行。

1.风电齿轮箱的载荷分析

一般情况下来讲，风力发电机工作的环境相对较为复杂，在其运行的过程中，很难对需要接受的载荷大小以及风力方向进行预测，由于载荷的瞬间变换、交变载荷量大小的不一，很大程度上就会导致风电齿轮箱受到极为不利的影响，较为容易产生疲劳损坏的情况。而风电齿轮箱作为风力发电机当中的关键传动部件，如果需要承受较大载荷处理，很大程度上就会对风力机的设计以及计算造成不利的影响。

由于风力机所受到的载荷情况相对较为复杂，因此，就需要对其进行相应的研究分析，下图则为风力机在运行过程中当中某一个瞬间，叶轮扫掠面积上的风力分布示意图。

图1

2.风力齿轮箱载荷分析

通常情况下来讲，风电齿轮箱在运行的过程中，工程结构以及机械所受到的载荷缺乏一定的规律。而且不同的工程结构以及载荷，所受到的疲劳载荷会具有较大的差异。而且不同的载荷，对于风力发电机所产生的疲劳强度影响也具有一定区别。为了能够使得相关人员在设计风电齿轮箱的过程中，更加全面系统的考虑，就需要加深对风力齿轮箱载荷复杂性的考虑。

2.1工作载荷

工作载荷主要指的就是在给定风况下，正常运转所接受的工作载荷。而一般情况下来讲，风电齿轮箱的使用寿命大概20年~30年。此工作载荷是整个齿轮箱设计寿命当中的正常工作载荷，在明确其参数的过程中，应该对其进行相应的分析，同时还可以通过实验测量来确定齿轮箱工作载荷。

2.2周期性载荷

通常情况下来讲，风轮主轴在每一次循环转动的过程中，所出现的峰值载荷出现接近与相同情况时，就会导致不同的风轮轴位置承受不同的载荷。通俗来讲，风轮轴的齿轮在转动的过程中受到不均匀的载荷，因此，就需要对齿轮箱部件进行科学合理的设计。

2.3最大工作载荷

在载荷谱当中，最大工作载荷在其中占据极为重要的地位，是其中的最高载荷。在风力发电机的整个设计寿命当中，风力发电机会承受部分高载荷循环。但是由于其不经常出现，很大程度上会降低风力机以及齿轮箱的疲劳寿命，因此，就需要对他们所产生的影响进行全面系统的考虑分析。

2.4瞬间载荷

在风力机正常工作的过程中，瞬间载荷会明显高于其中的最大工作载荷，虽然所占据的工作时间相对较少，但是却能够对风力机齿轮箱以及其他部件的工作寿命进行较大的影响。针对此种情况而言，会较常出现在风力机制动事件等过程当中。所以，就需要对这些载荷进行明确的了解，从而使得风力机的寿命得到有效延长。

3.风电齿轮箱轴承寿命分析

风力发电机组对于可靠性具有相对较高的要求，如果风力发电机一旦出现任何的故障，那么不仅仅会降低风电齿轮箱的运行效率，还会减小发电量，而且在对其进行维修的过程中，还需要出高额的费用对其中的零件进行维修以及更换。另外，风力发电机的工作环境也相对较为特殊，而且载荷也具有较高的复杂性，同时齿轮箱是其中最为容易发生故障的零部件。现阶段呢，受到技术条件等因素的影响，大型风电机组当中的齿轮箱轴承等等都需要进口。所以，为了能够使得风电齿轮箱得到更好的设计，轴承寿命计算方法在其中发挥着十分重要的积极作用，进而就需要对能够影响风电齿轮箱轴承寿命的因素进行深层次的研究分析，保障风力发电机更加可靠的运行。

在对齿轮变载荷进行处理的过程中，主要就是对相应载荷谱所给出的载荷进行处理，将其转变成某一等效载荷，如：扭矩或者是应力，然后再采用相应的公式，将得出的等效扭矩转换成相应的系数进行设计计算。

结束语：

由于风电齿轮箱载荷相对较为复杂，而且属于整个风电齿轮箱设计制造当中的基础环节。为了能够使得风电齿轮箱既达到可靠性的要求，延长风电齿轮箱的使用寿命，还能够实现轻量化以及经济性的要求，就可以从多个方面对风电齿轮箱进行科学合理的设计与计算。

参考文献：

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