齒輪箱是風機中的重要部件，其主要作用是將轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)加速后帶動發(fā)電機發(fā)電，能量通過風輪葉片由風輪主軸傳遞至齒輪箱，然后通過柔性聯(lián)軸器傳遞至發(fā)電機。那么問題來了，為什么要采用增速齒輪箱呢？

      由于葉輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，通過齒輪箱齒輪的增速作用來實現(xiàn)。因此增速齒輪箱設計及制造相當關(guān)鍵。同時風力發(fā)電機組增速齒輪箱由于其使用條件的限制，要求體積小，重量輕，性能優(yōu)良，運行可靠，故障率低。用量大的雙饋機型上的齒輪箱大多為行星輪系+平行軸傳動。

 

      目前市場上的風機大致分為三種：雙饋式風機、直驅(qū)式風機和半直驅(qū)式風機。齒輪箱含有以下七類零部件：齒輪/齒輪軸、軸承、鎖緊盤、潤滑冷卻系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加熱器、空氣濾清器。

 

 

• 一級行星兩級平行軸（雙饋）

    該種結(jié)構(gòu)主要用于2MW以及2MW以下功率的風電齒輪箱，用一組平行級代替行，可靠性高，但體積與重量大。

 

• 兩級行星一級平行軸（雙饋）

    該種結(jié)構(gòu)主要用于2.5MW以上功率的齒輪箱，承載能力強，體積小，重量輕，直徑小但橫向長。部分2MW以下齒輪箱也采用了該種結(jié)構(gòu)。

 

• 帶主軸齒輪箱（雙饋）

     主軸安裝在齒輪箱內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，主軸承油潤滑，有利于延長壽命，減輕重量。

 

• 緊湊型齒輪箱（半直驅(qū)）

     通常也叫半直驅(qū)齒輪箱，半直驅(qū)是兼顧有直驅(qū)和雙饋風電機的特點。這個特點決定了半直驅(qū)一方面能夠提高齒輪箱的可靠性與使用壽命，同時相對直驅(qū)發(fā)電機而言，能夠兼顧對應的發(fā)電機設計，改善大功率直驅(qū)發(fā)電機設計與制造條件。                                             

     

      常見齒輪傳動也分為很多種：圓柱齒輪、錐齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、蝸桿齒輪、斜齒輪、行星齒輪。

 

• 行星輪系

     行星輪由一個太陽輪加上三個行星輪套在行星架上，外面再套一個大齒圈組合而成。

 

       這樣設計到底有什么優(yōu)點呢？

      由于采用了均載機構(gòu),也就是說數(shù)個結(jié)構(gòu)相同的行星輪，均勻地分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉(zhuǎn)臂的受力平衡。同時，也使參與嚙合的齒數(shù)增多，所以能提高齒輪的承載能力、嚙合平穩(wěn)性和可靠性。

 

• 平行軸系

       平行軸系齒輪主要由主動輪帶動從動輪進行傳動。

 

       行星輪系相對于平行軸系的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、噪音小等；而缺點是：結(jié)構(gòu)復雜、加工要求高、配裝要求高等。

 

•  齒輪箱軸承介紹

       風力發(fā)電機組振動大，對軸承的安裝有嚴格的工業(yè)標準規(guī)定。振動會傳到軸承滾道內(nèi)產(chǎn)生磨損毛刺，破壞軸承滾道的潤滑，造成軸承失效。

       齒輪傳動需要安裝在軸上，而軸承是為軸提供支撐的構(gòu)件，軸上構(gòu)件的精準運轉(zhuǎn)依托于軸承的支撐，軸承滾動體可以減少軸承與軸的摩擦。

       目前風電行業(yè)多選用進口軸承（SKF、FAG、NSK、NKE、TIMKEN等）。隨著國內(nèi)軸承技術(shù)的逐步提高，齒輪箱的軸承國產(chǎn)化將會完全實現(xiàn)。

• 齒輪箱潤滑冷卻系統(tǒng)

    

      潤滑系統(tǒng)主要是為齒輪箱提供源源不斷的潤滑油，冷卻系統(tǒng)用于降低潤滑油的溫度。

 

      齒輪箱潤滑油的主要功能：

      潤滑：齒輪和軸承在轉(zhuǎn)動過程中它們實際都是非直接接觸，這中間是靠潤滑油建成油膜，使其形成非接觸式的滾動和滑動，這時油起到了潤滑的作用。

      冷卻：雖然它們是非接觸的滾動和滑動，但由于加工精度等原因使其轉(zhuǎn)動都有相對的滾動摩擦和滑動摩擦，這都會產(chǎn)生一定的熱量。如果這些熱量在它們轉(zhuǎn)動的過程中沒有消除，勢必會越集越多，然后導致高溫燒毀齒輪和軸承。潤滑油可以傳遞熱量，冷卻齒輪箱和軸承的溫度。

     清潔：齒輪箱工作過程中會產(chǎn)生一些污染物和雜質(zhì)，潤滑油可以帶走一些污染物和雜質(zhì)防止齒輪和軸承的腐蝕。

 

 

圖 潤滑冷卻流程圖

 

      電動泵、機械泵同時向系統(tǒng)供油，潤滑油經(jīng)濾油器過濾后到溫控閥，該溫控閥根據(jù)潤滑油的溫度自動控制潤滑油的流向。當油溫低于45℃時，潤滑油直接進入齒輪箱；當油溫高于45℃時，溫控閥開始動作，潤滑油經(jīng)冷卻器冷卻后再進入到齒輪箱。在齒輪箱的入口和油泵的出口均裝有壓力傳感器用于檢測潤滑油的壓力，當油泵出口壓力超過閾值時，油液直接通過溢流閥進入齒輪箱。

• 齒輪箱冷卻系統(tǒng)

      風機齒輪箱冷卻系統(tǒng)分為風冷和水冷兩種，風冷包括風扇、電機以及相應的連接膠管，是通過風扇換熱降低油溫；水冷是通過冷卻液來冷卻油溫。          

   

• 齒輪箱加熱器

      加熱器一般位于齒輪箱的底部，有的機型油泵下面也有一個加熱器。當風機在低溫狀態(tài)下啟動時，油池內(nèi)的潤滑油粘度非常高，潤滑油近乎固體狀態(tài)。在這種工況下，齒輪箱的潤滑系統(tǒng)無法進行工作。加熱器的作用就是對齒輪箱油池的潤滑油進行加熱。

 

• 齒輪箱鎖緊盤

      齒輪箱輸入軸端與主軸通過鎖緊盤聯(lián)接，輸出軸通過膜片式聯(lián)軸器與發(fā)電機相聯(lián)接，中耳依靠彈性支撐固定，彈性支撐上下各有一個調(diào)整螺釘，可以調(diào)整齒輪箱的上下位置，彈性支撐兩側(cè)各用螺栓與機架相聯(lián)接。

 

• 齒輪箱空氣濾清器

      空氣濾清器由濾芯和殼體組成干燥劑，在正常狀態(tài)下顏色為藍色，當干燥劑的顏色變成紅色時，需立即更換新的空氣濾清器。

      空氣濾清器的作用是清除空氣中的微粒雜質(zhì)以及水份，防止空氣中的微粒以及水份進入到齒輪箱內(nèi)部造成齒輪箱失效。而齒輪箱過濾器的作用是過濾油液中的顆粒物，二者有本質(zhì)的區(qū)別。

       齒輪對于材料的選擇和制作工藝也有其嚴格的要求，不然很容易損壞。下面列出了5種齒輪失效的主要形式：

       斷裂：偏載、過載、嚴重沖擊、熱處理；

       點蝕：表面裂紋擴張、磨粒、剝落；

       膠合：局部升溫和重載、潤滑不夠、油液變質(zhì)、齒輪精度低；

       塑性變形：重載、熱處理；

       磨損：金屬微粒、灰塵、潤滑劑不潔。

 

 

      齒輪箱一些常見的故障類型有：齒輪箱油溫過高、軸承溫度過高、潤滑系統(tǒng)問題、齒輪箱出現(xiàn)異響、齒輪齒面常見異常、過濾器堵塞、冷卻器散熱異常等。

 

      為了保證風電機組的長期穩(wěn)定運行，進行有效的故障診斷。齒輪箱是風電機組的核心部件，且故障發(fā)生率高，一旦發(fā)生故障將影響整個機組的運行，所以對其進行系統(tǒng)的預警分析就顯得很有必要了。

 

     目前針對風機齒輪箱的故障診斷方法主要有：基于振動信號的方法、油液分析法等，其中振動信號主要采用時頻分析來實現(xiàn)。故障預測基本方法以當前設備的正常運行狀態(tài)作為基準，結(jié)合預測齒輪箱的相關(guān)測量指標，環(huán)境或者歷史數(shù)據(jù)，預測設備關(guān)鍵測點的趨勢，主要分為數(shù)學、統(tǒng)計方法，人工智能方法，專家知識經(jīng)驗法等。從現(xiàn)有研究報道看來，齒輪箱故障診斷和預測方法近幾年主要的發(fā)展方向更多的是結(jié)合專家知識經(jīng)驗的人工智能方法。

來源：傳動在線