雙饋式風(fēng)電機(jī)組齒輪箱分析

熊永強(qiáng)

摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于能源資源的消耗和需求也在持續(xù)增加，只會(huì)導(dǎo)致全球資源日益枯竭，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成不同程度的破壞，為此必須要開發(fā)綠色可再生的新能源并已經(jīng)引起各個(gè)國(guó)家的重視，目前已開發(fā)的新能源包括水能，風(fēng)能太陽能、潮汐能等。其中風(fēng)能具有可再生環(huán)保且成本較低的優(yōu)勢(shì)，具有非常廣闊的發(fā)展前景，而且在我國(guó)的發(fā)展也非常迅速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中齒輪箱作為最重要的傳動(dòng)部件，如果一旦發(fā)生故障，其維修成本很高，不僅會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組運(yùn)行受到影響，而且也會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊，造成很高的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：雙饋式；風(fēng)電機(jī)組；齒輪箱

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的傳動(dòng)功率非常廣泛，而且精度高，傳遞效率更加具有非常良好的使用性能，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，其自身的加工及裝配精度要求高，而且整體的設(shè)備成本高，故障后造成風(fēng)機(jī)無法正常發(fā)電，維修價(jià)格高，所以必須要加強(qiáng)對(duì)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱進(jìn)行深入的研究。為此必須要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的運(yùn)行特征進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，總結(jié)其振動(dòng)及噪音規(guī)律并且加強(qiáng)對(duì)故障的根本原因進(jìn)行判斷，才能夠更好的提高風(fēng)力齒輪箱的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，增加其經(jīng)濟(jì)效益。

一、齒輪箱

風(fēng)電齒輪箱就是將葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能的關(guān)鍵零部件，更是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，由于大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常建設(shè)在戈壁，沿海，高原及海上等惡劣環(huán)境。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過程中，齒輪箱容易產(chǎn)生各種故障，而且維修非常困難，成本高，周期長(zhǎng)，不僅會(huì)導(dǎo)致社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益受損，如果沒有能夠及時(shí)的對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行解決，也很容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其它零部件的使用性能造成嚴(yán)重破壞，所以為了能夠進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的可靠性和穩(wěn)定性，必須要對(duì)齒輪箱的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行深入的分析，明確齒輪箱在不同工況和風(fēng)況的作用下，其自身的受力情況以及振動(dòng)和噪音機(jī)理等問題，確保對(duì)齒輪軸承等動(dòng)態(tài)應(yīng)力的研究效果得到有效加強(qiáng)。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括葉輪，主軸，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，機(jī)艙和塔筒等部分，所以在建模的過程中必須要對(duì)這些部分進(jìn)行全面的劃分，并且制定相應(yīng)的參數(shù)轉(zhuǎn)化模型，確保所有的部件都能夠在模型中有效建模，在主軸部分，可以設(shè)置輪轂葉片和主軸兩部分，其中主軸主要利用雙軸承支撐的標(biāo)準(zhǔn)頭型，而兩軸承可以起到承受有效的非轉(zhuǎn)矩荷載，保證只傳遞給齒輪箱扭矩，其它葉片彎矩可以通過主軸承傳遞給機(jī)艙架。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的主要方式不同，但是在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要的控制方式為變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和葉片變槳的方法來維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒功率運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，其主要的控制曲線包括低于切入風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，葉片的輸入轉(zhuǎn)矩為0，這時(shí)的風(fēng)機(jī)空轉(zhuǎn)，但是不能夠發(fā)電。

還有種工況低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，由于風(fēng)機(jī)的夜間述要獲得最大功率，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)距也能夠通過功率系數(shù)曲線以及最優(yōu)模型爭(zhēng)議來進(jìn)行控制，這樣能夠保證風(fēng)機(jī)獲得最大的風(fēng)能，部分機(jī)型還對(duì)其噪音進(jìn)行控制。第三種工況為高出額定轉(zhuǎn)速的工況，由于風(fēng)力的不斷加大，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩也在不斷的變化，這樣也能夠減少風(fēng)能來保證風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

三、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的故障和原因

（一）齒輪故障

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的故障損傷包括齒輪齒面斷裂，齒面點(diǎn)蝕，齒根折斷，膠和或磨損等問題，這些不同的故障都會(huì)導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響，嚴(yán)重的情況下還會(huì)出現(xiàn)較多輪齒折斷等情況，齒輪損傷的主要原因在于在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，由于沒有及時(shí)的進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，所以導(dǎo)致齒輪潤(rùn)滑油失效，潤(rùn)滑效果不理想，另外也有可能因?yàn)辇X輪變形摩擦力增大，而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的溫度升高，造成潤(rùn)滑油膜太薄等情況。在輪齒表面出現(xiàn)磨損的過程中，可能是因?yàn)闈?rùn)滑油失效，潤(rùn)滑不良，或者是各種雜物進(jìn)入到內(nèi)部而導(dǎo)致齒輪磨損。

（二）軸承損壞

在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)行的過程中，軸承是最重要的組成部分如果沒能夠?qū)S承進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)很容易導(dǎo)致軸承的故障幾率明顯上升，尤其是在齒輪箱運(yùn)行的過程中，由于軸承型號(hào)選擇不當(dāng)，軸承間隙及配合選擇不合理，安裝出現(xiàn)問題，潤(rùn)滑油牌號(hào)不對(duì)，長(zhǎng)期未更換等都有可能造成軸承運(yùn)行失效，例如在軸承中滾道點(diǎn)蝕或者產(chǎn)生裂紋，其主要的原因在于軸承間隙選擇不當(dāng)，油壓比較低，油液位置設(shè)置不當(dāng)，潤(rùn)滑油含水量高等原因。

（三）齒輪箱滲油

齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)滲油問題，則很有可能是因?yàn)辇X輪箱的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不到位或回油孔太小，回油效果不理想，造成潤(rùn)滑油局部液位高而產(chǎn)生漏油，另外在管接頭處如果沒有擰緊或者出現(xiàn)松動(dòng)等情況，也有可能導(dǎo)致管接頭螺紋密封效果不理想，造成管接頭滲油情況。另外磨損也會(huì)造成顆粒雜物涌入到油管之中，甚至?xí)斐晒┯蛪毫Ω呋螨X輪回油道堵塞而造成油滲漏問題。

（四）齒輪箱異常響動(dòng)過大

在齒輪箱不斷運(yùn)行的過程中，如果因?yàn)檩^高的振動(dòng)而引發(fā)的異響或振動(dòng)值同比增加較多，必須要進(jìn)行及時(shí)的處理，因?yàn)檎駝?dòng)問題產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，可能是因?yàn)辇X輪件和箱體之間因?yàn)榧庸ぞ炔桓叨斐闪悴考g存在比較大的傳遞誤差，或者是箱體的強(qiáng)度剛度不足，也會(huì)造成齒輪副之間出現(xiàn)異常變形，另外齒輪或軸承也會(huì)因?yàn)槟Σ潦軗p或強(qiáng)度不夠而造成疲勞點(diǎn)蝕，導(dǎo)致齒輪嚙合產(chǎn)生異常振動(dòng)值。

四、風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)的主要策略

在齒輪箱設(shè)計(jì)的過程中，必須要保證齒輪件和箱體的加工精度及選擇合適的潤(rùn)滑油，由于精度的提高的同時(shí)可以盡可能的減少表面粗糙程度，這樣就能夠降低齒輪件之間的摩擦力，也能夠延長(zhǎng)整個(gè)齒輪運(yùn)行的整體效果，所以在齒輪箱生產(chǎn)制造的過程中，必須要通過現(xiàn)有的高科技手段及設(shè)備對(duì)整個(gè)齒輪件的磨削和生產(chǎn)進(jìn)行全面的控制，保證高精度的生產(chǎn)效果和生產(chǎn)質(zhì)量，另外也要提高齒輪件齒面的加工精度，通過利用先進(jìn)的技術(shù)和軟件，并結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)對(duì)齒面的修形進(jìn)行優(yōu)化，避免齒輪在傳動(dòng)的過程中出現(xiàn)異常接觸，增加傳動(dòng)平穩(wěn)性，降低傳遞誤差。其次，在齒輪箱設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，最主要的就是保證齒輪箱行星級(jí)部分能夠得到合理的優(yōu)化，因?yàn)樾行禽喯挡豢刹鹦?，維修難度大且成本高，所以很容易導(dǎo)致維修不及時(shí)。對(duì)于平行級(jí)，在設(shè)計(jì)的過程中必須要保證高速軸能夠在不下架的情況下，塔上進(jìn)行拆卸，而且在后續(xù)產(chǎn)品維修和拆卸的過程中也可以對(duì)整個(gè)平行軸系進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，確保包括高速軸的的平行軸系拆卸條件得到有效增強(qiáng)，除了平行級(jí)可拆卸的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化之外，還要盡可能對(duì)整個(gè)齒輪箱的其它零部件模塊化設(shè)計(jì)，如因?yàn)槁菟ㄙ|(zhì)量或裝配問題而造成齒輪箱箱體或齒圈出現(xiàn)斷裂的情況，也需要及時(shí)的進(jìn)行更換，否則很容易導(dǎo)致齒輪箱的正常運(yùn)行受到影響，甚至下架維修。

結(jié)論：

本文通過對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用齒輪箱進(jìn)行深入的分析，并總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的運(yùn)行特點(diǎn)，研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組模型的構(gòu)建。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱常見的故障進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決優(yōu)化策略，能夠提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的可靠性及降低維修時(shí)間，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的健康安全運(yùn)行，為生產(chǎn)與生活提供高質(zhì)量的清潔能源，促進(jìn)我國(guó)可再生能源的可持續(xù)健康發(fā)展。

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（作者單位：南京高速齒輪制造有限公司）