【摘 要】在風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率逐年提高的背景下，作為傳動(dòng)系統(tǒng)重要部件的主齒輪箱，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否影響著傳遞功率的大小及效率。本文總結(jié)了近些年風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)發(fā)展的概況，歸納比較了行星輪平行軸系、柔性軸等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的原理和特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】齒輪箱；行星輪；功率分流；柔性軸

0.引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在綠色發(fā)電領(lǐng)域的快速發(fā)展，尤其是在目前我國(guó)環(huán)境嚴(yán)重污染的大環(huán)境下，采取綠色、可持續(xù)的風(fēng)電能源發(fā)展方向，是緩解我國(guó)能源配比，減少污染的必然選擇。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)了該領(lǐng)域制造業(yè)同行的對(duì)比競(jìng)爭(zhēng)。尤其是隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率的不斷擴(kuò)展，使得齒輪箱在功率傳遞方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面不斷的進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

齒輪箱作為機(jī)組中最重要也是所占機(jī)組成本較大的部件，其成本大約是機(jī)組成本的17%左右，由于受到風(fēng)載的變載沖擊，以及極限風(fēng)況、極端溫度變化等因素的影響，齒輪箱故障占到機(jī)組故障總數(shù)已超40%，成為機(jī)組中最薄弱的一環(huán)。為提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，滿足20年的設(shè)計(jì)壽命要求，除了加強(qiáng)對(duì)齒輪箱油液分析、前期故障監(jiān)測(cè)分析以外，采用合適的功率傳遞方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為亟待發(fā)展解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，為提高機(jī)組發(fā)電功率與發(fā)電效率，風(fēng)電機(jī)組朝著提高單機(jī)容量，降低單位千瓦質(zhì)量，提高機(jī)組利用率及提升系統(tǒng)可靠性的方向發(fā)展。為適合這種發(fā)展需求，就必然面臨選擇使用何種功率傳遞方式的齒輪箱。對(duì)此，本文列舉了目前國(guó)內(nèi)外幾種功率傳遞方式的設(shè)計(jì)路線，分別介紹各設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并比較分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.我國(guó)風(fēng)電齒輪箱研究現(xiàn)狀

由于國(guó)內(nèi)風(fēng)電起步較晚，風(fēng)電技術(shù)人才相對(duì)匱乏，所以目前并在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將依賴于國(guó)外的設(shè)計(jì)公司，但是在引進(jìn)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的同時(shí)并沒(méi)有把齒輪箱的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)同步引進(jìn)。國(guó)內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)通常是從Romax、Obital2等國(guó)外專業(yè)設(shè)計(jì)公司引進(jìn)，再按照主機(jī)廠提出的要求在齒輪箱的結(jié)構(gòu)和外形尺寸上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后結(jié)合國(guó)內(nèi)工藝制造水平實(shí)現(xiàn)齒輪箱的批量化生產(chǎn)，卻沒(méi)有掌握國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

盡管我國(guó)風(fēng)電齒輪箱國(guó)產(chǎn)化工作近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并在兆瓦級(jí)的生產(chǎn)上形成了批量化，但是目前仍然存在很多制約風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的問(wèn)題：

第一，基礎(chǔ)性工作的研究和數(shù)據(jù)積累嚴(yán)重匱乏，對(duì)國(guó)外技術(shù)的消化和吸收存在一定的局限性，沒(méi)有形成自主創(chuàng)新能力。

第二，由于國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)起步較晚，對(duì)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)理解不深，高技術(shù)水平的人力資源匱乏。

第三，國(guó)內(nèi)目前還只是停留在類比設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段，日益增長(zhǎng)的大批量生產(chǎn)規(guī)模實(shí)際上存在大量的質(zhì)量隱患和問(wèn)題，運(yùn)行壽命基本上難以保證整機(jī)設(shè)計(jì)壽命20年的要求。

第四，大功率齒輪箱2-3倍功率加載的試驗(yàn)裝置和測(cè)試手段嚴(yán)重匱乏。

第五，國(guó)內(nèi)各齒輪箱廠家自鎖門庭、技術(shù)保密，沒(méi)有形成資源共享、信息互通的良性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

2.功率傳遞方式綜述

隨著全球風(fēng)電市場(chǎng)單機(jī)容量的與日劇增，齒輪箱的發(fā)展也日趨迅猛。由常見(jiàn)的一級(jí)行星兩級(jí)平行軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式逐漸過(guò)渡到兩級(jí)行星一級(jí)平行軸、柔性軸、功率分流、一入多出等更適合實(shí)際工況的大功率機(jī)型。

2.1行星輪系+平行軸系

常見(jiàn)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱由一級(jí)行星兩級(jí)平行軸或兩級(jí)行星一級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)組成，是一種典型的傳動(dòng)裝置。低速軸帶動(dòng)行星架上的三個(gè)行星輪，將動(dòng)力傳至太陽(yáng)輪，再帶動(dòng)下一級(jí)平行軸或行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終通過(guò)平行軸（即高速軸）輸出，如下圖1、2所示。

圖1 一級(jí)行星+兩級(jí)平行軸 圖2 兩級(jí)行星+一級(jí)平行軸

與平行軸輪系相比，行星輪系具有傳動(dòng)效率高，徑向尺寸小，重量輕，空間緊湊，傳動(dòng)比大，齒輪及軸受力較均勻，耐沖擊和抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在一定缺點(diǎn)，較定軸輪系傳動(dòng)復(fù)雜，齒輪精度要求高，由于結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積較小，在工作中導(dǎo)致油池溫升過(guò)快，需要配置潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)。而兩者結(jié)合則同時(shí)具備各自優(yōu)點(diǎn)。

該傳動(dòng)方式也是目前國(guó)內(nèi)裝機(jī)量最大的齒輪箱型式。

2.2復(fù)合行星齒輪系

2.2.1定軸式復(fù)合行星齒輪系

RENK公司設(shè)計(jì)的這種傳動(dòng)方式是以內(nèi)齒圈作為動(dòng)力輸入，帶動(dòng)固定軸行星輪組合傳動(dòng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，機(jī)械效率高；由于該行星輪系采用定軸傳動(dòng)，所以行星輪上軸承可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)潤(rùn)滑，降低軸承的失效風(fēng)險(xiǎn)；可維護(hù)性好，在塔上可實(shí)現(xiàn)全部零件拆卸維護(hù)。該方案齒圈制造精度要求較高，齒輪箱徑向尺寸較大，應(yīng)用在較小功率（1.5MW以下）齒輪箱的成本較高，但在大功率齒輪箱上反而能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，如下圖3所示。

圖3 定軸式復(fù)合行星齒輪系

2.2.2非定軸式復(fù)合行星齒輪系

該設(shè)計(jì)方案為GE公司設(shè)計(jì)，以行星架作為動(dòng)力輸入，內(nèi)齒圈固定，與定軸式復(fù)合行星齒輪傳動(dòng)相比，同樣具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，機(jī)械效率高等特點(diǎn)，但該方案對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的油路布置相對(duì)要求較高，如下圖4所示。

圖4 非定軸式復(fù)合行星齒輪系

2.3柔性行星軸

風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率逐漸發(fā)展擴(kuò)大，而傳統(tǒng)行星齒輪傳動(dòng)中的太陽(yáng)輪及行星架、行星輪的連接嚙合屬于剛性設(shè)計(jì)，由于不可避免的制造、安裝誤差，引起行星輪之間載荷分配不均，在大功率齒輪箱的嚙合傳動(dòng)中不可避免的會(huì)形成偏載，造成局部嚙合齒面應(yīng)力提高，在長(zhǎng)期交變載荷的影響下，易使齒面逐步發(fā)生點(diǎn)蝕、膠合，甚至斷齒等現(xiàn)象發(fā)生。

柔性軸技術(shù)則很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，具有良好的均載效果。柔性軸的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)使用剛度值較小的銷軸，一端固定于行星架，一端套裝行星輪，整個(gè)行星架上的行星輪都處于懸臂狀態(tài)，在與太陽(yáng)輪嚙合傳動(dòng)的過(guò)程中，行星輪則能夠徑向浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載荷均載。但柔性軸的剛度不是越小越好，這會(huì)造成行星輪徑向浮動(dòng)量過(guò)大，從而引起齒輪副的相對(duì)滑移磨損，所以應(yīng)根據(jù)齒輪箱的實(shí)際載荷工況選擇適宜的柔性軸剛度值。另外，柔性軸技術(shù)的使用對(duì)降低齒輪嚙合振動(dòng)引起的噪聲，起到了一定的阻尼作用。如下圖5所示。

圖5 柔性行星軸

這種技術(shù)SMT，MAAG，Orbit2，Romax都在使用。在位于蘇格蘭奧克尼島（Orkney Island）上MAAG的3MW風(fēng)機(jī)齒輪箱中，II級(jí)行星傳動(dòng)中共有7個(gè)行星齒輪，是目前風(fēng)電齒輪箱中行星輪使用最多的，同時(shí)采用了柔性軸技術(shù)。

2.4功率分流

為實(shí)現(xiàn)齒輪箱承載能力最大時(shí)齒輪箱體積和重量最小，達(dá)到功率密度最大化的目的，設(shè)計(jì)公司采用了功率分流技術(shù)。在風(fēng)電齒輪箱行業(yè)中，采用功率分流這一設(shè)計(jì)理念具有代表性的技術(shù)主要是MAAG和BOSCH。

MAAG 設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)行星輪分流，第三級(jí)平行軸傳動(dòng)。Ⅱ級(jí)傳動(dòng)中的齒圈和I級(jí)傳動(dòng)中的行星齒輪由低速軸驅(qū)動(dòng)。I級(jí)傳動(dòng)中輸入扭矩經(jīng)過(guò)分流，一部分分配到隨低速軸轉(zhuǎn)動(dòng)的行星架。另一部分被分配到Ⅱ級(jí)傳動(dòng)的齒圈。在該傳動(dòng)中，行星架獲得了31-35%的扭矩，Ⅱ級(jí)內(nèi)齒圈則傳遞了其余65-69%的扭矩部分。

BOSCH齒輪箱設(shè)計(jì)與MAAG類似，不過(guò)其采用了三級(jí)行星一級(jí)平行軸的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是：第一，對(duì)第二級(jí)行星輪系的太陽(yáng)輪和第三級(jí)行星輪系的內(nèi)齒圈采用了浮動(dòng)設(shè)計(jì)，更有利于整個(gè)齒輪箱的均載；第二，由于第二級(jí)和第三級(jí)行星傳動(dòng)的內(nèi)齒圈與箱體分離，所以能有效減小齒輪箱傳動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)；第三，通過(guò)功率分流很好的降低各個(gè)嚙合齒輪副所傳遞的載荷，從而減小傳動(dòng)齒輪的尺寸，在同等尺寸條件下，該設(shè)計(jì)更有利于提高齒輪箱的容量，目前該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于3MW及以上的風(fēng)電齒輪箱中。

利用功率分流在兩級(jí)傳動(dòng)中的差動(dòng)特性，很好的降低了齒輪副的接觸應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)功率密度的最大化。如下圖6、7所示。

圖6 MAAG型式功率分流 圖7 BOSCH型式功率分流

2.5一入多出

隨著對(duì)海上風(fēng)電的研究發(fā)展，惡劣的海上環(huán)境也對(duì)風(fēng)電提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，Winergy研發(fā)了一款專門應(yīng)用于海上風(fēng)電的一入雙出齒輪箱，該結(jié)構(gòu)是為Bard公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，相比傳統(tǒng)齒輪箱，在結(jié)構(gòu)上有很大的創(chuàng)新嘗試。由于處于樣機(jī)試運(yùn)行階段，所以該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還有待繼續(xù)觀察。如下圖8所示。

圖8 一入雙出

從該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來(lái)看，其優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

第一，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高。在同樣的機(jī)艙內(nèi)可以放置比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率更大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可將一臺(tái)發(fā)電機(jī)更改為兩臺(tái)并排橫向放置，在功率增大的同時(shí)，縮短了傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度。

第二，維修方便，可維護(hù)性強(qiáng)。

維護(hù)和維修時(shí)無(wú)需從機(jī)艙中拆除 一入多出（目前僅為一入雙出）齒輪箱的設(shè)計(jì)確保其各組件質(zhì)量不超過(guò)機(jī)艙吊機(jī)的承載能力。這樣在對(duì)齒輪箱進(jìn)行維修及維護(hù)時(shí)，就可以無(wú)需借助其它起重設(shè)備，尤其是對(duì)海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，更能體現(xiàn)出其方便之處。且在齒輪、軸承等方面大量采用了完全相同的零部件。與傳統(tǒng)齒輪箱相比，這些零部件尺寸更小，重量更輕。因此，該結(jié)構(gòu)齒輪箱的互換性更強(qiáng)，成本也較低。

第三，通過(guò)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出，可擴(kuò)展至 12MW一入雙出齒輪箱采用八等分載荷分流， 最后集成輸出至兩個(gè)高速軸連接兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況及控制方式，可以匹配選擇不同的發(fā)電機(jī)輸出功率。

為滿足不同的市場(chǎng)需求，目前可實(shí)現(xiàn)3MW-12MW之間的額定功率選擇。由于采用了比傳統(tǒng)齒輪箱尺寸更小，重量更輕的設(shè)計(jì)，其額定功率越大，優(yōu)勢(shì)也越明顯。

2.6融合技術(shù)方案

該技術(shù)方案是綜合了柔性行星軸與功率分流兩種設(shè)計(jì)特點(diǎn)，更能體現(xiàn)齒輪箱功率密度的最大化。

2.7齒輪箱+電機(jī)集成式

近年來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的HybridDrive 混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)采用齒輪箱與發(fā)電機(jī)集成設(shè)計(jì)，大大降低了傳動(dòng)鏈重量，傳動(dòng)鏈軸向長(zhǎng)度也可縮短35% ～ 50%。此外，齒輪箱和發(fā)電機(jī)采用可獨(dú)立拆卸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別適合于海上風(fēng)電的維護(hù)需求。因此，在傳動(dòng)系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計(jì)和緊湊型結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來(lái)特大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)。

2.8齒輪箱+液力耦合

Voith公司為Bard公司研發(fā)的齒輪箱+液力耦合方案，可以通過(guò)調(diào)節(jié)液力單元的沖程來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪箱傳動(dòng)比的控制，把變速輸入轉(zhuǎn)化為恒定速度輸出。該傳動(dòng)方式調(diào)速范圍寬，對(duì)環(huán)境要求不高。

3.結(jié)語(yǔ)

盡管近年來(lái)直驅(qū)型機(jī)組得到了大力發(fā)展，由于在拿掉齒輪箱后，機(jī)組故障率會(huì)明顯降低，但直驅(qū)、雙饋兩種機(jī)型各有優(yōu)勢(shì)。另外，雙饋型機(jī)組在我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)中占有的地位不言而喻，這與我國(guó)多數(shù)整機(jī)廠在初期的技術(shù)引進(jìn)、路線選擇有關(guān)，也同整個(gè)市場(chǎng)初期的供給和此后所形成的需求有關(guān)。

可以說(shuō)，雙饋機(jī)型的“主軸-齒輪箱-發(fā)電機(jī)”傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最成熟，技術(shù)延續(xù)性最完整的“標(biāo)準(zhǔn)”結(jié)構(gòu)，在不改變這種功率傳遞方式的前提下，齒輪箱的技術(shù)發(fā)展依然令人期待。作為機(jī)艙傳動(dòng)系統(tǒng)最重要的一環(huán)，功率密度最大化始終是齒輪箱設(shè)計(jì)的初衷，在向大功率機(jī)組發(fā)展的過(guò)程中，齒輪箱的設(shè)計(jì)影響著機(jī)組的升級(jí)、擴(kuò)容。

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