提高風(fēng)電齒輪箱功率密度的方法

何磊

摘要：風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件，在風(fēng)力發(fā)電中發(fā)揮了十分重要的作用。當(dāng)前風(fēng)能產(chǎn)業(yè)面臨著復(fù)雜的市場環(huán)境，風(fēng)電度電成本高，因此，提高風(fēng)電齒輪箱功率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從減小齒輪傳動載荷以及提高齒輪極限應(yīng)力兩個角度提出了一些提高風(fēng)電齒輪箱功率密度的方法，以期切實(shí)提高風(fēng)電齒輪箱的競爭力，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的改進(jìn)和應(yīng)用提供幫助。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電齒輪箱；功率密度；方法

1減小齒輪傳動載荷

疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度是齒輪傳動設(shè)計中的主要因素，這兩個因素對齒輪箱的尺寸、重量具有決定性的因素。中心距的大小決定了齒輪傳動設(shè)計的水平，因為中心距是齒輪傳動輕量化的重要指標(biāo)。根據(jù)相關(guān)理論知識可知，減小計算載荷、提高齒輪疲勞極限應(yīng)力、減小最小許用安全系數(shù)、增大齒寬系數(shù)、改變嚙合型式等方法能夠有效減小中心距，提高齒輪傳動功率密度，在下文中筆者將從減小傳動載荷、提高齒輪極限應(yīng)力兩個方面提出一些提高風(fēng)電齒輪箱功率密度的具體方法。表1概括了減小齒輪傳動載荷的主要方法。

1.1功率分流

一般情況下，裝置傳遞設(shè)計載荷是給定的，無法直接減小齒輪傳動載荷，但可以通過功率分流的方法減小嚙合副傳遞設(shè)計載荷。常用的功率分流方式是行星齒輪傳動，風(fēng)電增速箱、偏航、變槳減速器都采用這一方式減小齒輪傳動載荷。設(shè)計制造水平的不斷發(fā)展使得行星輪數(shù)量逐漸增加，可以達(dá)到六七個，或者更多。良好的均載方式和精密的制造裝配技術(shù)是采用多行星輪機(jī)構(gòu)的前提條件。

1.2提高嚙合副之間載荷分配均勻性

功率分流可以有效提高齒輪傳動功率密度，這為行星齒輪傳動的廣泛應(yīng)用提供了條件。但與此同時，設(shè)計分析技術(shù)和制造精度保證技術(shù)的水平又對行星輪的個數(shù)產(chǎn)生了限制。要切實(shí)增加行星輪個數(shù)必須解決均載問題，這使得均載方法和均載機(jī)構(gòu)設(shè)計在行星齒輪傳動設(shè)計中成為關(guān)鍵內(nèi)容。風(fēng)電機(jī)組的改進(jìn)和發(fā)展使得風(fēng)電齒輪箱設(shè)計制造得以應(yīng)用到許多先進(jìn)的、新型的均載方式。

1.3提高輪齒載荷分布均勻性

提高輪齒載荷分布均勻性的方法主要是輪齒修形，而齒輪輪齒修形主要是對齒形、螺旋線、對角、三維拓?fù)溥M(jìn)行修形。輪齒修形不僅能夠優(yōu)化齒面的載荷分布，提高齒面承載能力，還能夠有效減小傳遞誤差以及傳動噪音，并減少摩擦損失。輪齒修形能夠有效改善輪齒齒寬方向的載荷分布，從而增強(qiáng)齒輪的承載能力。

1.4減小輪齒單位線載荷

加工工藝、裝備水平不斷提高，風(fēng)電齒輪產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中應(yīng)用到了大量數(shù)字化、智能化裝備，這使得齒輪產(chǎn)品精度不斷提高。由相關(guān)的理論知識可知，增加齒輪齒寬可以有效增強(qiáng)齒輪的承載能力。但要通過增加齒輪齒寬的方式提高承載能力，必須先保證制造和裝配精度，確保載荷分布均勻。否則，一味地增加齒寬將降低齒輪承載能力。

2提高齒輪極限應(yīng)力

提高齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力或者彎曲疲勞極限應(yīng)力都能夠有效提高風(fēng)電齒輪箱功率密度，表2概括一些提高齒輪極限應(yīng)力的具體方法。

首先，齒面改性。齒面改性的具體方法是對齒輪進(jìn)行加工處理，風(fēng)電齒輪箱增速箱、偏航、變槳減速器的齒輪都采用合金鋼鍛件+滲碳淬火+磨齒工藝的處理流程和工藝。風(fēng)電齒輪箱工作環(huán)境比較惡劣，齒輪容易遭受頻繁的載荷交變、沖擊，進(jìn)而發(fā)生早期失效，齒輪輪齒的早期失效與接觸精度、硬化、表層物理冶金因素有關(guān)，齒輪熱處理質(zhì)量、穩(wěn)定性、一致性都對齒輪產(chǎn)品的可靠性具有關(guān)鍵影響。目前風(fēng)電齒輪的熱處理工藝主要是滲碳淬火工藝，滲碳淬火工藝是齒輪生產(chǎn)過程中的一個重大技術(shù)難題。滲碳淬火工藝對齒輪的性能、質(zhì)量具有重要影響，熱處理操作如果不合格，導(dǎo)致齒輪畸變過大，容易造成齒輪磨齒后層深不均，降低極限應(yīng)力。齒輪熱處理過程中變形難以控制的主要原因是變形的影響因素過多，設(shè)計、材料、鍛造毛坯、機(jī)械加工、滲碳、淬火都對熱處理變形具有影響作用。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，熱處理變形的影響因素多達(dá)二十六種，七十七個因子。目前滲碳淬火的變形控制方法主要有以下幾種：第一，選用淬透性帶寬較小的材料；第二，選擇合理的零件結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工工藝；第三，科學(xué)選擇熱處理工藝、裝備。

其次，齒面改形。齒根過渡曲線的形狀、形貌對應(yīng)力幾種具有重要的影響，從而對齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力大小產(chǎn)生影響。齒輪產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程通常不會對齒根進(jìn)行磨削，制齒加工時的刀具以及磨齒時的磨削加工面與未磨削加工面連接處的形貌決定了齒根的形貌。刀具幾何參數(shù)對齒根彎曲應(yīng)力具有重要的影響作用，改善刀具幾何參數(shù)能夠明顯降低齒根彎曲應(yīng)力。通過超精加工等齒面改形方式能夠提高齒輪承載能力提高風(fēng)電齒輪箱功率密度。齒輪傳動中出現(xiàn)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象后，傳動裝置的使用年限以及性能都會受到嚴(yán)重影響。相關(guān)研究結(jié)果表明，齒面粗糙度、潤滑、齒面組織狀態(tài)等對微點(diǎn)蝕具有關(guān)鍵的影響作用。為此，采用超精加工工藝能夠有效避免微點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

3小結(jié)

科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了風(fēng)發(fā)電機(jī)組的改進(jìn)優(yōu)化，其單機(jī)容量和裝機(jī)容量迅速增大，為了減少吊裝成本，減小安裝空間，風(fēng)電齒輪箱的制造必須朝著輕量化、減量化的趨勢發(fā)展，因此，提高風(fēng)電齒輪箱的功率密度勢在必行。風(fēng)電齒輪箱的工作環(huán)境比較特殊，且相對惡劣，而風(fēng)電又對齒輪箱可靠性具有較高的要求。為此，輕量化、減量化等提高齒輪箱功率密度的技術(shù)在風(fēng)電齒輪箱中具有較高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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