孙晓菊
采埃孚（天津）风电有限公司 300402
摘要：大型风电齿轮箱主要具有的结构有两种，包括水平轴风力机和垂直轴风力机，当前在我国风力发电市场上主要应用水平轴发电机，但风力机也经常因风力机齿轮箱故障而导致整个机组运行瘫痪。本文主要结合当前大型风电齿轮箱的发展现状及发展趋势，探讨了现阶段大型风电齿轮箱出现的问题及研究现状，最后结合实际情况阐述了大型风电齿轮箱载荷分析及处理措施。
关键词：风电齿轮箱；设计：关键技术
风能的开发利用已经成为世界未来的发展趋势，利用风能发电就是一个很好的显示，但风力发电机在运行过程中仍然存在许多问题，其主要原因就是其内风电齿轮箱的设计制造出现质量问题，这也是制约着我国风力发电行业迅猛发展的主要原因。
1.大型风电齿轮箱主要存在的问题
1.1轴承易损坏
在风力发电装置中，由于其设备过于庞大，维修不便等原因，因此其装置必须具备较长的工作寿命，通常是不能少于20年，而现今的风力发电装置中出现故障问题最多的就是增速齿轮箱，而轴承就是齿轮箱中最容易出现故障的部件，因此合理地选择轴承对整个齿轮箱的运转非常重要，同时还要准确地预测其使用寿命。
1.2载荷数据处理不完善
在我国由于各地气候不一，有些地方的风力发电机所处的环境相当恶劣，导致风力发电机所承受的载荷也异常复杂，然而目前我国对复杂荷载的数据收集也才刚刚起步，同时对于复杂载荷的处理方法也不够完善，对于瞬间载荷，制动载荷以及极限载荷等的处理也全凭过往的经验进行估算，另外对于变载荷的处理时，运用的线性积累损伤理论也不够成熟，最后导致其基础计算不合理。
1.3设计计算方法有待优化
除依据相关标准设计齿轮外，各个齿轮箱生产厂家还会有自己的优化设计，目前在风力发电机装置中，齿轮设计的优化计算方法还有很大的发展空间，可以期待有效的优化设计推广。
2大型风电齿轮箱载荷技术分析
2.1大型风电齿轮箱的载荷谱
大型风电齿轮箱的负荷光谱主要是指风力机在各种运行状况下进行的随机负荷的实测和实时记录。通过改变记录的负荷大小和负荷发生频率，以一种图像或数学公式的方式进行表示，便可以称之为载荷谱，通过对载荷谱进行分析便可以判断风电齿轮箱的强度可靠性及风电齿轮箱在应用中的预期寿命。目前大型风电齿轮箱大多采用两级行星传动和一级平行轴传动结构。
目前，对大型风力发电机组齿轮箱的载荷谱进行测量，可以采用计数法、谱分析法等技术进行，通常载荷谱的特征呈现出最大值和最小值不会随着时间的变化而发生变化，技术人员便可以通过载荷谱用于材料疲劳性实验。负载谱反映了叶轮上的疲劳负荷，主要取决于多方面的因素，技术人员需要确定疲劳破坏的主要部位，收集随机数据，通过压缩负载时间的过程来对齿轮箱荷载进行计算和统计，确保载荷谱具备典型性、集中性和概括性，以更好地推断出风电齿轮箱的疲劳寿命。
2.2大型风电齿轮箱的作用
因为风力发电机中叶片转速不能满足发电要求的，必须通过齿轮箱增速后进行发电，因此，该齿轮箱又称增速箱，根据机器设备的整体布置要求，有时还将与风轮轮毂直接连接的传动轴（通常称为大轴）与齿轮箱合二为一的情况，也有将大轴和齿轮箱分开布置的情况。为改善制动器的制动性能，在齿轮箱的输入或输出端安装制动器，并配合叶尖制动（固定浆距风轮）或变液距制动器，使机器共用制动器驱动系统。
2.3大型风电齿轮箱运行中载荷停歇和持续时间的影响
风电齿轮箱在运行中可能会由于载荷具有一定的不确定性，或是对机组进行维修的过程中出现长时间的停机或间歇工作时间。由于风电机组的停机造成载荷中间停歇，这就使得一些易疲劳的材料得到了休息，延长了材料的使用寿命。在相关调查研究中得知，载荷停歇时间并不会对疲劳的极限值造成一定的影响，对于部分材料来说，载荷停歇时间对其造成的疲劳性影响较大，例如碳性钢材料；而合金钢材料对于载荷停歇时间的影响较小。我国部分学者对风电齿轮箱在载荷停歇中的疲劳寿命进行分析时认为，可以通过平均应力与材料疲劳寿命之间的关系进行判断，通常当平均应力小于极限值时，材料的疲劳寿命增加，反之亦然。
2.4大型风电齿轮箱变载荷工况下轴承寿命计算
ISO轴承寿命计算方法。根据ISO281：1990标准，轴承的基本额定寿命为：
L
10=（C/P）
ε
式中
L10—可靠度为90%的轴承基本额定寿命；
C—额定动载荷；
P—当量动载荷；
ε—寿命指数，对于球轴承为3，滚子轴承为10/3。
大型风电装置在应用过程中所处的工作环境较为恶劣，这也使得风电装置在应用中会承受较为复杂的载荷。但是当前我国对于复杂载荷的数据收集才刚刚起步，因此还未对处理复杂载荷数据形成一套系统化的方法，使得风力发电机组在工作过程中经常性地出现过压载荷。当出现这些问题时，设计人员所应用的线性积累损伤理论，无法真实地反映出载荷值齿轮箱造成的破坏。在对大型风电齿轮箱交变荷载的数据进行收集时，可以采用SKF和FAG结合的方式给出阶梯载荷下的轴承寿命计算方法，在计算中以强调轴承等零部件的载荷谱为基础，再根据等效载荷作为设计计算依据。并将轴承运行过程中的工作转速、清洁度水平、工作温度等影响因素进行考虑，通过利用SKF和FAG计算方法便可以对轴承寿命修正系数进行计算，由于这两种计算方法趋势相同，因此在相同条件下数值的偏差性较小。在计算中可以发现随着轴承工作温度的升高，修正系数也会随之减小；随着轴承转速的降低，在相同温度下修正系数越小。
3大型风电齿轮箱几何参数优化
齿轮箱是大型风力发电机中的重要机械部件之一，其主要任务是将风能产生的能量传递给发电机，使发电机快速转动，把风能转变成电能待转。但由于环境因素的影响，风电机组的输电负荷更加复杂，传动系统在长时间运行中，不可避免会出现故障。
3.1数学模式
从风电齿轮传动结构图中可以看出，应选择的设计变量主要有齿数、位移系数、方位系数、齿宽和螺旋角等，然后确定目标系数，该优化目标主要是得到各级齿轮传动的最佳分配方案。
3.2最佳做法
本文对大型风电齿轮箱进行了优化，采用的优化方法主要是复合型法。复合型法主要是指在N维设计空间的可实现区域内，由多个顶点组成的多面体，因此，本文提出了一种以最终复合型中目标函数值最小的点为优化目标函数的方法。
3.3优化成果
在程序界面上手动输入基本参数按钮，为便于结构组合，设置了由计算机编程设计的相应的优化软件进行优化计算。输入相应的条件参数，就可以通过软件得到优化结果。除了设计变量外，还包括最佳点，即齿数、系数等变量构成的点图，因此齿数必须为满足装配限制条件的整数，且设备参数应符合相关标准。此外，为保证一定的强度，选取点图的系数时应综合考虑各个相关参数值。
4结语
风力发电机组在运行过程中所处的工作环境往往过于恶劣，并且风力发电机组在运行中所承受的载荷大小及方向很难进行判断。这就使得风力发电机组在运行中需要承受瞬间载荷及短时间内的变幅交变载荷，对风力机组产生一定的疲劳性破坏。因此，通过对当前我国应用的大型风电齿轮箱展开系统且深入的研究，分析齿轮箱在工作中所承受的极限载荷、工作载荷、周期载荷等对齿轮箱结构造成的影响，提出科学合理的完善意见，对进一步促进我国风电行业的发展意义重大。
参考文献：
［1］曹奇.大型风电齿轮箱关键设计技术［J］.中国新技术新产品,2017,34(10):45-46.
［2］王辉,李晓龙,王罡.大型风电齿轮箱的失效问题及其设计制造技术的国内外现状分析［J］.中国机械工程,2016(11):126-133.
［3］霍仕环,曹奇.风电齿轮箱制造及质量控制技术要点的研究［J］.机电工程技术,2017,42(01):84-87.