主要部件的设计与选型方案

1.箱体

箱体承受来自风轮的作用力和齿轮传动过程中的各种反力，必须具有足够的强度和刚度，防止变形和损坏，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求来进行。应注意选取合适的支承结构和壁厚，增设必要的加强筋。一般采用铸铁作为箱体材料，一方面易于成型及切削加工，适于批量生产；另一方面还具有减振性好的优点。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。铸造箱体结构应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷。单件、小批生产时，也可采用焊接或焊接与铸造相结合的箱体。为减小机械加工过程和使用中的变形，防止出现裂纹，无论是铸造或是焊接箱体均应进行退火、时效处理，以消除内应力。为了便于装配和定期检查齿轮的啮合情况，在箱体上应设有观察窗。机座旁一般设有连体吊钩，供起吊整台齿轮箱用。箱体支座的凸缘应具有足够的刚性，尤其是扭力臂结构（见图8-21）的支承座，其支承刚度要作仔细地校核计算。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱通常安装在弹性减振器上，如图8-22所示。

箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位设置进出油口和相关的液压件的安装位置。在寒冷北方应用的齿轮箱，还应设置油箱加热装置

箱体的应力情况十分复杂，通常要采用数值计算方法（如有限元法），才能较为准确地计算出应力分布的状况。

图8-21 扭力臂结构

图8-22 齿轮箱弹性支撑结构

a）矩形支撑 b）圆形支撑

2.行星架

行星架是行星机构中结构较为复杂的零件，当行星架作为基本构件时，它是机构中承受外力矩最大的零件，要求足够的强度与刚度，受载变形要小。大功率增速箱中通常采用整体双壁式结构，这种结构刚性好，因为尺寸较大且形状复杂，常采用铸造方法以得到结构和尺寸接近成品的毛坯，常用材料QT700-2、ZG34CrNiMo、ZG42CrMoA等铸造，应注意消除铸造缺陷和内应力。如行星架与输入轴为一体，且齿轮箱输入轴与主轴经胀套联轴器连接，则材料取合金铸钢为宜，如ZG34CrNiMo等，既有较高的强度、冲击韧性及弹性，又有较好的铸造性能。整体式铸造结构变形小，宜于批量生产。对于单件生产，也可采用焊接式行星架。单壁式行星架轴向尺寸小，刚性差，一般只适用于中小功率的传动。行星架一般需做动、静平衡试验。

整体双壁式行星架的两个侧板通过中间的连接板连接在一起，连接板的数量和尺寸与行星轮个数有关，两侧板壁厚，当不装轴承时可按经验选取：C₁=（0.25～0.3）a′，C₂=（0.2～0.25）a′（字母含义见图8-23）。尺寸L_c应比行星轮外径大10mm以上，连接板内圆半径R_n按R_n/R≤0.85～0.5确定。

图8-24所示为行星架、内齿圈、行星轮装配体。

3.齿轮

（1）材料及热处理

齿轮所用的材料除了要满足机械强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等。一般采用锻造方法制取毛坯，可获得良好的锻造组织纤维。为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。外齿轮推荐采用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料。内齿圈按其结构要求，可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。合理的热处理工艺，可以保证材料的综合机械性能达到设计要求。一般外齿轮均采用渗碳淬火加磨齿工艺，齿表面硬度可达到HRC60±2。由于国内大型内斜齿制齿加工困难，内齿磨齿成本较高，通常采用直齿加氮化工艺或直齿加渗碳淬火加磨齿工艺。渗碳淬火后获得较理想的表面残余应力，它可以使轮齿最大拉应力区的应力减小，因此加工中对齿根部分通常保留热处理后的表面。表8-7给出齿轮部分材料力学性能。

图8-23 整体双壁式行星架

a）轴与行星架一体 b）轴与行星架为法兰式连接

图8-24 行星架、内齿圈、行星轮装配体(www.xing528.com)

表8-7 齿轮部分材料力学性能

（续）

（2）精度等级

提高齿轮精度等级与提高齿轮强度、齿面耐磨性、啮合平稳性、提高润滑油油膜比厚及保持油膜稳定性有密切关系。按啮合速度选用精度等级时，增速传动的精度要求略高于减速传动；或在齿轮精度一定时，增速传动的许用工作速度低于减速传动。一般应将增速传动的许用工作转速降低20％～30％后使用。

较高的齿轮精度等级是相当必要的，对风电增速箱而言，外齿轮一般不低于5级（GB/T10095），内齿圈不低于6级（GB/T 10095）。

（3）必要的技术措施

对渗碳淬火齿轮来说，齿顶及齿端面的棱边倒角是必需的，一般在渗碳前即须做适度的预先倒角（最好是圆角），否则在渗碳过程中极易造成棱边处的氧化和脱碳，在淬火时存在尖角同样是不利的。

4.轴

轴的材料采用碳纲和合金钢。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等，常用的热处理方法为调质，而在重要部位作淬火处理。要求较高时可采用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi等优质低碳合金钢，进行渗碳淬火处理，获取较高的表面硬度和心部较高的韧性。

由于制动器一般装于高速端，瞬间制动对高速轴的冲击较大，高速轴故隙频率较高，高速轴设计安全系数应适度加大。同时应考虑高速轴维修方便，以在机舱上能完成维修任务为佳。

轴的设计计算可参阅本章第一节相关内容。

5.滚动轴承

在风力发电机组齿轮箱上常采用的轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等。在所有的滚动轴承中，调心滚子轴承的承载能力最大，且能够广泛应用在承受较大负载或者难以避免同轴误差和挠曲较大的支承部位。原则上轴承设计承寿命为13万小时。

中小功率齿轮箱输入端大轴承采用单列满滚子轴承较为普遍，也有采用双列调心滚子轴承的。行星轮中间的轴承以采用短圆柱滚子轴承或双列调心滚子轴承为宜。随着风电齿轮箱向大功率方向发展，单一的双列调心滚子轴承已无法满足承载需要。通常采取单列滚子与四点接触轴承组合方式，四点接触轴承可以承受较大的轴向力。如750kW、1100kW、1300kW风力发电机组增速箱多用这种结构。

轴承基本额定寿命的计算参见本章第二节。

一般推荐在极端载荷下的静承载能力系数f_s应不小于2.0。对风力发电机组齿轮箱输入轴轴承的静强度计算时，需计入风轮的附加静负载。

6.均载机构

为补偿不可避免的制造和装配误差，行星轮系一般采用均载机构，以均衡各行星轮传递的载荷，提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性，同时可降低对齿轮的精度要求，降低制造成本。NGW型行星传动常用的均载机构为基本构件浮动的均载机构。它是靠基本构件（太阳轮、内齿圈或行星架）没有固定的径向支撑，在受力不平衡的情况下作径向游动（又称浮动），以使各行星轮均匀分担载荷。由于太阳轮重量小，惯性小，浮动灵敏，结构简单，在风力发电机组增速箱中，常采用太阳轮浮动。太阳轮通过花键与下一级传动输入轴连接，为增加太阳轮的浮动量，配对外花键需加工为鼓形齿。为增加耐磨性，内外花键齿面需有较高的硬度。