一種特殊用途的風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的設(shè)計與優(yōu)化

謝 源，劉天羽，汪永海，焦 斌

（上海電機學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

一種特殊用途的風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的設(shè)計與優(yōu)化

謝 源，劉天羽，汪永海，焦 斌

（上海電機學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

針對高等院校和研究院側(cè)重風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱基本理論、運行機制和測試方法等的教學(xué)和研究的需求，設(shè)計了一種與大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)一致、工作方式相同的小功率齒輪箱。對齒輪箱的結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的優(yōu)化，最終能夠滿足教學(xué)和科研的要求。

風(fēng)力發(fā)電機；齒輪箱；行星結(jié)構(gòu)

截止2010年，全球已有100多個國家發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。2010年全球風(fēng)能新裝機容量相當(dāng)于全球總發(fā)電量的2.5%，總量超過世界第6大經(jīng)濟(jì)體——英國全年的用電需求。我國是風(fēng)能裝機容量最大的國家，是世界風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的中心，2010年新裝機容量占全球年度的50%以上［1－2］；目前，國內(nèi)已有4家整機制造企業(yè)進(jìn)入世界前10強，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)量占世界總量的2／5強，占國內(nèi)市場85%的份額，有3家國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電運營商位列全球前10位［3－4］。

目前，全世界大型風(fēng)力發(fā)電機組中雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組占85%以上，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組必須使用齒輪箱增速驅(qū)動異步發(fā)電機［5］。齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組中最重要的部件之一，也是最容易產(chǎn)生故障的部件之一［6－7］。為了減小體積，500kW以上大型風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪箱通常采用行星輪加平行軸結(jié)構(gòu)［8］，質(zhì)量達(dá)數(shù)噸甚至十幾噸，價格為數(shù)十萬甚至上百萬元人民幣。目前，國內(nèi)高等院校和普通研究院所對齒輪箱的研究和試驗測試還不夠深入，主要原因如下：① 我國自2006年起開展大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究，前期主要采用技術(shù)進(jìn)口和聯(lián)合設(shè)計方式，通過逐步消化吸收，形成了自主生產(chǎn)和設(shè)計能力，近2年才實現(xiàn)了大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的國產(chǎn)化，因此，國內(nèi)對大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的研究還有待深入。② 國內(nèi)真正開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的高等院校和科研院所并不多，除沈陽工業(yè)大學(xué)、新疆大學(xué)、浙江省機電研究院風(fēng)電研究所、中國科學(xué)院電工所等外，大部分高校和科研院所基本上是近5年甚至是近3年才開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的，且大多數(shù)都關(guān)注控制系統(tǒng)、變流技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)的研究，對齒輪箱、軸系等機械裝置研究有所忽視［9］。③ 大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱價格昂貴、體積龐大、結(jié)構(gòu)特殊，也限制了其在高校教學(xué)中的應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的齒輪箱工作原理與特性相對簡單，沒有必要采用實物用于教學(xué)，但大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱與小型風(fēng)力發(fā)電機不同，其采用行星輪加平行軸的混合結(jié)構(gòu)。市場上小功率的風(fēng)力發(fā)電機有的采用直流電機不需要齒輪箱，有的采用普通的平行軸齒輪結(jié)構(gòu)。目前在齒輪箱行業(yè)中，小功率增速齒輪箱或是單一的行星輪結(jié)構(gòu)，或是單一的平行軸結(jié)構(gòu)，或是蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，很難找到與大型齒輪箱結(jié)構(gòu)一致的混合結(jié)構(gòu)的齒輪箱。

綜上所述，很有必要開展風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的科研測試和教學(xué)試驗工作，尤其是在我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展、專業(yè)從業(yè)人員缺口巨大的前提下，在高校加強風(fēng)力發(fā)電技術(shù)人才培養(yǎng)，不僅要關(guān)注控制系統(tǒng)、變流并網(wǎng)的研究，而且對于齒輪箱等關(guān)鍵機械部件的研究也應(yīng)非常重視。本文從高校開展風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的科學(xué)研究和教學(xué)實踐出發(fā)，設(shè)計了一種符合教學(xué)和研究要求的小功率風(fēng)力發(fā)電齒輪箱，并給出了該齒輪箱的設(shè)計過程、參數(shù)和用途。

1 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計要求

作為一所工科高等院校，開展風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域研究，既要考慮科學(xué)研究的需求，又要考慮學(xué)生培養(yǎng)的需求，更應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)成本，故對小型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的技術(shù)要求主要從教學(xué)、科研、成本3個方面來分析。

1.1 應(yīng)從學(xué)生特別是本科生的培養(yǎng)要求出發(fā)

（1）設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱應(yīng)與大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱基本結(jié)構(gòu)完全一致。本科生實際接觸工業(yè)產(chǎn)品的機會較少，缺少足夠的時間去近距離仔細(xì)觀察風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的實際結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計與大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)一致的小功率齒輪箱，放置在校內(nèi)專業(yè)實驗室，學(xué)生可以通過專門的風(fēng)力發(fā)電課程和試驗，結(jié)合齒輪箱的設(shè)計原理，參考其設(shè)計參數(shù)，充分了解其結(jié)構(gòu)，甚至可指導(dǎo)學(xué)生了解齒輪箱的設(shè)計方法和軟件，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計才能。（2）應(yīng)與大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱運行方式一致。風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中重要的傳動環(huán)節(jié)，其輸入、輸出關(guān)系體現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組的能量傳遞關(guān)系和發(fā)電原理。設(shè)計的齒輪箱與真實運行原理一致，通過連接驅(qū)動系統(tǒng)和發(fā)電機，可以使學(xué)生掌握風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本發(fā)電原理，

并促進(jìn)他們掌握基本機電系統(tǒng)的設(shè)計方法。（3）設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)方便觀察。無論是在運行中還是處于停機狀態(tài)，齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)易于觀察，尤其是通過觀察運行中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以讓學(xué)生更好地理解齒輪嚙合的概念，觀察到運行中齒輪箱內(nèi)部的變化情況。

1.2 應(yīng)滿足科研人員在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究要求

（1）設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱內(nèi)部零件應(yīng)可方便更換。目前，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的故障診斷是機組維護(hù)的重要環(huán)節(jié)。要診斷風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的故障，必須要產(chǎn)生齒輪箱的故障，而一旦故障產(chǎn)生難免會對齒輪箱內(nèi)部零件造成損壞；故齒輪箱的內(nèi)部零件應(yīng)可方便更換，最好是手工更換，這就限制了齒輪箱的功率不能太大。（2）風(fēng)力發(fā)電齒輪箱應(yīng)能產(chǎn)生若干典型故障。通過一些人為設(shè)置方式，可以讓齒輪箱產(chǎn)生某些常見故障，為風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的故障分析與診斷提供研究案例。（3）設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱產(chǎn)生的故障應(yīng)可診斷。常用的大型齒輪箱故障診斷采用振動監(jiān)測［10－11］、頻譜分 析的方法進(jìn) 行 診 斷［12］，由于過小的齒輪箱難以安裝振動傳感器，其故障信號不夠明顯，難以提取，故齒輪箱不能太小。

1.3 從成本出發(fā)，設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱不能太昂貴

由于只用于教學(xué)與科研，齒輪箱不需要達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)與性能要求，故其性能可適當(dāng)降低?？傮w而言，齒輪箱功率可設(shè)計為10kW左右，制造工藝和材料不需要達(dá)到工業(yè)產(chǎn)品級的要求，但必須滿足教學(xué)和科研的要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱采用1級行星輪加2級平行軸的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，液體潤滑，不需要配置齒輪潤滑系統(tǒng)。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure of gearbox

3 系統(tǒng)參數(shù)

參照普通大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的常見結(jié)構(gòu)，設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱參數(shù)如下：

（1）齒輪箱功率為10kW；

（2）齒輪箱質(zhì)量為200kg；

（3）齒輪箱結(jié)構(gòu)為1級行星結(jié)構(gòu)＋2級平行軸結(jié)構(gòu)；

（4）齒輪箱變速比為4.941（行星傳動×4（第1級）×4.5（第2級））＝88.938

一般大型風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速較低，通常為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，而發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速通常為1 000r／min或1 500r／min，故齒輪箱的變速比設(shè)計為50以上，較常見的是90。本文設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱采用1級行星輪＋2級平行軸結(jié)構(gòu)，行星傳動的變速比為4.941，第1級平行軸變速比為4，第2級平行軸的變速比為4.5，總計整個齒輪箱的變速比為88.938。齒輪箱內(nèi)齒輪的具體參數(shù)如表1所示。齒輪箱內(nèi)的齒輪均通過軸和軸承支撐，表2給出了內(nèi)部使用的軸承的類型和參數(shù)。

表1 齒輪箱內(nèi)齒輪參數(shù)Tab.1 Parameters of the gears

表2 齒輪箱內(nèi)軸承參數(shù)Tab.2 Bearing parameters of gearbox

4 外形尺寸

設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱二維視圖如圖2所示?？紤]到實驗室場地、齒輪箱結(jié)構(gòu)的靈活拆裝、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等教學(xué)、科研、成本方面的需求，參照齒輪箱設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)《GB／T 3480－1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》和《GB／T 10095－2001漸開線圓柱齒輪精度》［13－14］，最終設(shè)計的齒輪箱尺寸為595mm（長）×504mm（高）×480mm（寬），軸心高為235mm。

圖3給出了設(shè)計的齒輪箱整體三維效果。圖3中，齒輪箱箱體頂部設(shè)計了觀察窗口，用螺釘將帶把手的蓋板蓋住觀察窗口，取下螺釘，打開蓋板，即可實時觀察齒輪箱內(nèi)部運行情況。

圖4給出了風(fēng)力發(fā)電齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維視圖。由圖4可見，齒輪箱的結(jié)構(gòu)與大型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)一致，采用了1級行星傳動＋2級平行軸齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。

5 優(yōu)化設(shè)計

圖4 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱內(nèi)部三維俯視圖Fig.4 Three－dimensional top view of the gearbox

箱體是齒輪箱的重要部件，它承受著來自風(fēng)輪的作用力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，滿足防止變形、保證傳動質(zhì)量的要求。箱體應(yīng)按照風(fēng)力發(fā)電機組動力傳動的布局安排、加工與裝配、檢查和維護(hù)等的要求設(shè)計。同時，考慮到為方便觀察齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，箱體上部設(shè)計有觀察窗口。為便于進(jìn)一步觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)、嚙合情況和零件更換，箱體采用了上下結(jié)構(gòu)；上、下箱體之間采用螺栓緊固的聯(lián)結(jié)方式。設(shè)計時應(yīng)注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結(jié)構(gòu)和壁厚，增設(shè)必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向保持一致。

單件、小批量生產(chǎn)時，常采用焊接或焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現(xiàn)裂紋，無論是鑄造還是焊接箱體均應(yīng)進(jìn)行退火、時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。機座旁設(shè)有連體吊鉤，供起吊整臺齒輪箱用。

風(fēng)力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)環(huán)境非常惡劣，受力情況復(fù)雜，要求所用的材料除了要滿足機械強度條件外，還應(yīng)滿足極端溫差條件下所具有的材料特性，如抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩(wěn)定性等。對齒輪和軸類零件而言，由于其傳遞動力的作用而要求其具有極為嚴(yán)格的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般情況下，不推薦采用裝配式拼裝結(jié)構(gòu)或焊接結(jié)構(gòu)，當(dāng)用于非工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域可根據(jù)具體需求調(diào)整。齒輪毛坯只要在鍛造條件允許的范圍內(nèi)，都采用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當(dāng)齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時，由于齒輪與軸之間的連接所限，制成軸齒輪的形式。

過盈配合聯(lián)接能使軸和齒輪（或聯(lián)軸器）具有最好的對中性，特別是在經(jīng)常出現(xiàn)沖擊載荷情況下，這種聯(lián)接能可靠地工作，在風(fēng)力發(fā)電齒輪箱中得到了廣泛的應(yīng)用。利用零件間的過盈配合形成的聯(lián)接，其配合表面為圓柱面或圓錐面（錐度可取1∶30～1∶8）。圓錐面過盈聯(lián)接多用于載荷較大，需多次裝拆的場合。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種風(fēng)力發(fā)電齒輪箱，其目的是用于高等院校和科研院所的教學(xué)和科研工作。考慮到高等院校和科研院所的場地和教學(xué)科研的特點，齒輪箱功率為10kW，結(jié)構(gòu)為行星輪加平行軸結(jié)構(gòu)，通常情況下只有兆瓦級以上的風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱采用此種混合結(jié)構(gòu)，小型齒輪箱一般采用單一結(jié)構(gòu)。該齒輪箱便于拆裝、觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可用于教學(xué)，幫助風(fēng)力發(fā)電方向的本科生掌握風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的基本原理與運行機理，還可提供給研究生進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和有限元分析［6］，以該齒輪箱為案例進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計。同時，以該齒輪箱為基礎(chǔ)，若配上其他部件，可以指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一個包括原動機和發(fā)電機的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，讓學(xué)生掌握大型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電原理和運行機制；還可指導(dǎo)研究生進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略、變流控制、并網(wǎng)控制等方面的研究。通過對齒輪箱內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)的改造或更換內(nèi)部零件，還可進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基礎(chǔ)研究。

［1］ World Wind Energy Association.Word Wind Energy Report 2010［M］.Bonn，Germany：WWEA Head office，2011.

［2］ Global Wind Energy Council.Global wind report：Annual market update 2010［EB／OL］.http：／／www.gwec.net／fileadmin／documents／Publications／Global＿Wind＿2007 ＿report／GWEC%20Global%20Wind%20Report%202010%20low%20res.pdf.

［3］ 李俊峰.風(fēng)光無限 中國風(fēng)電發(fā)展報告2011［M］.北京：中國環(huán)境出版社，2011.

［4］ 李 慧.中國風(fēng)電如何轉(zhuǎn)型［N］.光明日報，2011－05－22（1）.

［5］ 姚興佳，宋 俊.風(fēng)力發(fā)電機組原理和應(yīng)用［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011：26.

［6］ 謝 源，強玨賢.大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測研究［J］.上海電機學(xué)院學(xué)報，2009，12（4）：271－275.

［7］ 謝 源，焦 斌.風(fēng)力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與故障診斷方法研究現(xiàn)狀［J］.上海電機學(xué)院學(xué)報，2010，13（6）：328－333.

［8］ 張立勇，王長路.風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)電齒輪箱概述［J］.機械傳動，2008，32（6）：1－5.

［9］ Xie Yuan，Jiao Bin.Comprehensive automation experiment course based on wind energy［C］／／Proceeding of 2010Third International Conference on Education Technology and Training.Wuhan：IEEE，2010：502－505.

［10］ 唐新安.600kW 風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷［D］.呼和浩特：新疆大學(xué)，2006：22.

［11］ Caselitz P，Giebhardt J，Mevenkamp M.Application of systems in wind energy converters［C］／／European Wind Energy Conference（EWEC'97）.Dublin：［s.n.］，1997：1－4.

［12］ Caselitz P，Giebhardt J，Kewitsch R.Advanced condition monitoring system for wind energy converters［C］／／Proceedings of the European Wind Energy Conference：Wind Energy for the Next Millennium 1999.Nice，F(xiàn)rance：James ＆James Ltd.，1999：63－66.

［13］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB／T 10095－2001漸開線圓柱齒輪 精度［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［14］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB／T 3480－1997－漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［15］ 張志宏，劉忠明，張和平，等.大型風(fēng)電齒輪箱行星架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［J］.機械設(shè)計，2008，25（9）：54－56.

Design and Optimization of Gearbox of Wind Turbine for a Specific Purpose

XIE Yuan，LIU Tianyu，WANG Yonghai，JIAO Bin
（School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Considering requirement of teaching and researching of universities，a kind of gearbox of wind turbine is designed.It has same structure and operation mechanism as the gearbox of MW level wind turbine.However，its rated power is much smaller.In order to meeting the demand of teaching and researching，the structure of gearbox is optimized.

wind turbine；gearbox；planetarystructure

TM 315

A

2095－0020（2012）01－0001－05

2011－09－03

上海市教委科研創(chuàng)新項目資助（12YZ1S6）；國家自然科學(xué)基金項目資助（60801048）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會基礎(chǔ)研究重點項目資助（10JC1405800）；上海市教育委員會重點學(xué)科資助（J51901）

謝 源（1978－），男，講師，博士，專業(yè)方向為電氣自動化，E－mail：xiey＠sdju.edu.cn