第一節 概述
風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機並使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據機組的總體布置要求，有時將與風輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯軸節連接的結構。為了增加機組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置，配合葉尖制動（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統進行聯合制動。
由於機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規律的變向變負荷的風力作用以及強陣風的衝擊，常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環境交通不便，齒輪箱安裝在塔頂的狹小空間內，一旦出現故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。例如對構件材料的要求，除了常規狀態下機械性能外，還應該具有低溫狀態下抗冷脆性等特性；應保證齒輪箱平穩工作，防止振動和衝擊；保證充分的潤滑條件，等等。對冬夏溫差巨大的地區，要配置合適的加熱和冷卻裝置。還要設置監控點，對運轉和潤滑狀態進行遙控。
不同形式的風力發電機組有不一樣的要求，齒輪箱的布置形式以及結構也因此而異。在風電界水平軸風力發電機組用固定平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動最為常見。
如前所述，風力發電受自然條件的影響，一些特殊氣象狀況的出現，皆可能導致風電機組發生故障，而狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎，整個傳動系的動力匹配和扭轉振動的因素總是集中反映在某個薄弱環節上，大量的實踐證明，這個環節常常是機組中的齒輪箱。因此，加強對齒輪箱的研究，重視對其進行維護保養的工作顯得尤為重要。 第二節 設計要求 設計必須保證在滿足可靠性和預期壽命的前提下，使結構簡化並且重量最輕。通常應採用CAD優化設計，排定最佳傳動方案，選用合理的設計參數，選擇穩定可靠的構件和具有良好力學特性以及在環境極端溫差下仍然保持穩定的材料，等等。
一、 設計載荷
齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決於風輪、發電機的特性和傳動軸、聯軸器的質量、剛度、阻尼值以及發電機的外部工作條件。
風力發電機組載荷譜是齒輪箱設計計算的基礎。載荷譜可通過實測得到，也可以按照JB/T10300標準計算確定。當按照實測載荷譜計算時，齒輪箱使用係數KA＝1。當無法得到載荷譜時，對於三葉片風力發電機組取KA=1.3。
二、設計要求
風力發電機組增速箱的設計參數，除另有規定外，常常採用優化設計的方法，即利用計算機的分析計算，在滿足各種限制條件下求得最優設計方案。
（一） 效率
齒輪箱的效率可通過功率損失計算或在試驗中實測得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤滑油飛濺和攪拌損失、風阻損失、其它機件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。
風力發電齒輪箱的專業標準要求齒輪箱的機械效率應大於97%，是指在標準條件下應達到的指標。
（二） 雜訊級
風力發電增速箱的雜訊標準為85dB（A）左右。雜訊主要來自各傳動件，故應採取相應降低雜訊的措施：
1. 適當提高齒輪精度，進行齒形修緣，增加嚙合重合度；
2. 提高軸和軸承的剛度；
3. 合理布置軸系和輪系傳動，避免發生共振；
4. 安裝時採取必要的減振措施，將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規定的C級之內。
（三） 可靠性
按照假定壽命最少20年的要求，視載荷譜所列載荷分佈情況進行疲勞分析，對齒輪箱整機及其零件的設計極限狀態和使用極限狀態進行極限強度分析、疲勞分析、穩定性和變形極限分析、動力學分析等。分析方法除一般推薦的設計計算方法外，可採用模擬主機運行條件下進行零部件試驗的方法。
在方案設計之初必須進行可靠性分析，而在施工設計完成後再次進行詳細的可靠性分析計算，其中包括精心選取可靠性好的結構和對重要的零部件以及整機進行可靠性估算。 第三節 齒輪箱的構造 一、齒輪箱的類型與特點
風力發電機組齒輪箱的種類很多，按照傳統類型可分為圓柱齒輪增速箱、行星增速箱以及它們互相組合起來的齒輪箱；按照傳動的級數可分為單級和多級齒輪箱；按照轉動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。
二、齒輪箱圖例
第四節 齒輪箱的主要零部件 箱體結構
箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產生的反力，必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。箱體的設計應按照風電機組動力傳動的布局安排、加工和裝配條件、便於檢查和維護等要求來進行。應注意軸承支承和機座支承的不同方向的反力及其相對值，選取合適的支承結構和壁厚，增設必要的加強筋。筋的位置須與引起箱體變形的作用力的方向相一致。
箱體的應力情況十分複雜且分佈不勻，只有採用現代計算方法，如有限元、斷裂力學等方法輔以摸擬實際工況的光彈實驗，才能較為準確地計算出應力分佈的狀況。利用計算機輔助設計，可以獲得與實際應力十分接近的結果。
採用鑄鐵箱體可發揮其減振性，易於切削加工等特點， 適於批量生產。常用的材料有球墨鑄鐵和其他高強度鑄鐵。用鋁合金或其他輕合金製造的箱體，可使其重量較鑄鐵輕20%~30%， 但從另一角度考慮，輕合金鑄造箱體，降低重量的效果並不顯著。這是因為輕合金鑄件的彈性摸量較小，為了提高剛性，設計時常須加大箱體受力部分的橫截面積，在軸承座處加裝鋼製軸承座套，相應部位的尺寸和重量都要加大。目前除了較小的風電機組尚用鋁合金箱體外，大型風力發電齒輪箱應用輕鋁合金鑄件箱體已不多見。
單件、小批生產時，常採用焊接或焊接與鑄造相結合的箱體。為減小機械加工過程和使用中的變形，防止出現裂紋，無論是鑄造或是焊接箱體均應進行退火、時效處理，以消除內應力。
為了便於裝配和定期檢查齒輪的嚙合情況，在箱體上應設有觀察窗。機座旁一般設有連體吊鉤，供起吊整台齒輪箱用。
箱體支座的凸緣應具有足夠的剛性，尤其是作為支承座的耳孔和搖臂支座孔的結構，其支承剛度要作仔細的核算。為了減小齒輪箱傳到機艙機座的振動，齒輪箱可安裝在彈性減振器上。最簡單的彈性減振器是用高強度橡膠和鋼墊做成的彈性支座塊，合理使用也能取得較好的結果。
箱蓋上還應設有透氣罩、油標或油位指示器。在相應部位設有注油器和放油孔。放油孔周圍應留有足夠的放油空間。採用強制潤滑和冷卻的齒輪箱，在箱體的合適部位設置進出油口和相關的液壓件的安裝位置。 齒輪和軸的結構
風力發電機組運轉環境非常惡劣，受力情況複雜，要求所用的材料除了要滿足機械強度條件外，還應滿足極端溫差條件下所具有的材料特性，如抗低溫冷脆性、冷熱溫差影響下的尺寸穩定性等等。對齒輪和軸類零件而言，由於其傳遞動力的作用而要求極為嚴格的選材和結構設計，一般情況下不推薦採用裝配式拼裝結構或焊接結構，齒輪毛坯只要在鍛造條件允許的範圍內，都採用輪輻輪緣整體鍛件的形式。當齒輪頂圓直徑在2倍軸徑以下時，由於齒輪與軸之間的連接所限，常製成軸齒輪的形式。
為了提高承載能力，齒輪、軸一般都採用合金鋼製造。外齒輪推薦採用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA 等材料。內齒圈和軸類零件推薦採用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。採用鍛造方法製取毛坯，可獲得良好的鍛造組織纖維和相應的力學特徵。合理的預熱處理以及中間和最終熱處理工藝，保證了材料的綜合機械性能達到設計要求。
齒輪箱內用作主傳動的齒輪精度，外齒輪不低於5級GB/T10095，內齒輪不低於6級GB/T10095。通常採用最終熱處理的方法是滲碳淬火，齒表面硬度達到HRC60+/-2，具有良好的抗磨損接觸強度，輪齒心部則具有相對較低的硬度和較好的韌性，能提高抗彎曲強度，而通常對齒部的最終加工是採用磨齒工藝。
加工人字齒的時候，如是整體結構，半人字齒輪之間應有退刀槽；如是拼裝人字齒輪，則分別將兩半齒輪按普通圓柱齒輪加工，最後用工裝將兩者準確對齒，再通過過盈配合套裝在軸上。
齒輪加工中，規定好加工的工藝基準非常重要。軸齒輪加工時，常用頂尖頂緊兩軸端中心孔安裝在機床上。圓柱齒輪則利用其內孔和一個端面作為工藝基準，用夾具或通過校準在機床上定位。
在一對齒輪副中，小齒輪的齒寬比大齒輪略大一些，這主要是為了補償軸向尺寸變動和便於安裝。為減小軸偏斜和傳動中彈性變形引起載荷不均勻的影響，應在齒形加工時對輪齒作修形處理。
齒輪與軸的聯接
平鍵聯接 常用於具有過盈配合的齒輪或聯軸器與軸的聯接。
花鍵聯接 通常這種聯接是沒有過盈的，因而被聯接零件需要軸向固定。花鍵聯接承載能力高，對中性好，但製造成本高，需用專用刀具加工。
過盈配合聯接 過盈配合聯接能使軸和齒輪（或聯軸節）具有最好的對中性，特別是在經常出現衝擊載荷情況下，這種聯接能可靠地工作，在風力發電齒輪箱中得到廣泛的應用。利用零件間的過盈配合形成的聯接，其配合表面為圓柱面或圓錐面（錐度可取1：30~1：8）。圓錐面過盈聯接多用於載荷較大，需多次裝拆的場合。
脹緊套聯接 利用軸、孔與錐形彈性套之間接觸面上產生的摩擦力來傳遞動力，是一種無鍵聯接方式，定心性好，裝拆方便，承載能力高，能沿周向和軸向調節軸與輪轂的相對位置，且具有安全保護作用。國家標準GB5867-86對其所推薦的四種脹緊套的結構形式和基本尺寸作了詳細的規定。
齒輪箱中的軸按其主動和被動關係可分為主動軸、從動軸和中間軸。首級主動軸和末級從動軸的外伸部分用於安裝半聯軸器，與風輪輪轂或電機傳動軸相連。為了提高可靠性和減小外形尺寸，有時將半聯軸器（法蘭）與軸製成一體。
軸上各個配合部分的軸頸需要進行磨削加工。為了減少應力集中，對軸上台肩處的過渡圓角、花鍵向較大軸徑過渡部分，均應作必要的處理，例如拋光，以提高軸的疲勞強度。在過盈配合處，為減少輪轂邊緣的應力集中，壓合處的軸徑應比相鄰部分軸徑加大5%，或在輪轂上開出卸荷槽。裝在軸上的零件，軸向固定應可靠，工作載荷應儘可能用軸上的止推軸肩來承受，相反方向的固定則可利用螺帽或其他緊固件。為防止螺紋鬆動，可利用止動墊圈、雙螺帽墊圈、鎖止螺釘或串聯鐵絲等。有時為了節省空間，簡化結構，也可以用彈簧擋圈代替螺帽和止動墊圈，但不能用於軸向負荷過大的地方。
軸的材料採用碳綱和合金綱。如40、45、50、40Cr、50Cr、42CrMoA等，常用的熱處理方法為進行調質，而在重要部位作淬火處理。要求較高時可採用20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、17CrNi5、16CrNi 等優質低碳合金綱，進行滲碳淬火處理，獲取較高的表面硬度和心部較高的韌性。
滾動軸承
齒輪箱的支承中，大量應用滾動軸承，其特點是靜摩擦力矩和動摩擦力矩都很小，即使載荷和速度在很寬範圍內變化時也如此。滾動軸承的安裝和使用都很方便，但是，當軸的轉速接近極限轉速時，軸承的承載能力和壽命急劇下件下降，高速工作時的噪音和振動比較大。齒輪傳動時軸和軸承的變形會引起齒輪和軸承內外圈軸線的偏斜，使輪齒上載荷分佈不均勻，會降低傳動件的承載能力。由於載荷不均勻性而使輪齒經常發生斷齒的現象，在許多情況下又是由於軸承的質量和其他因素，如劇烈的過載而引起的。選用軸承時，不僅要根據載荷的性質，還應根據部件的結構要求來確定。相關技術標準，如DIN281，或者軸承製造商的的樣本，都有整套的計算程序和方法可供參考。
計算的使用壽命應不小於13萬小時。在安裝、潤滑、維護都正常的情況下，軸承運轉過程中，由於套圈與滾動體的接觸表面經受交變負荷的反覆作用而產生疲勞剝落。疲勞剝落若發生在壽命期限之外，則屬於滾動軸承的正常損壞。因此，一般所說的軸承壽命指的是軸承的疲勞壽命。一批軸承的疲勞壽命總是分散的，但總是服從一定的統計規律，因而軸承壽命總是與損壞概率或可靠性相聯繫。 第五節 齒輪箱的使用及其維護 在風力發電機組中，齒輪箱是重要的部件之一，必須正確使用和維護，以延長使用壽命。
齒輪箱主動軸與葉片輪轂的連接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機聯接時，應採用合適的聯軸器，最好是彈性聯軸器，並串接起保護作用的安全裝置。齒輪箱軸線與相聯接部分的軸線應保證同心，其誤差不得大於所選用聯軸器的允許值。
齒輪箱安裝後用人工盤動應靈活，無卡滯現象，齒面接觸斑點應達到技術條件的要求。按照說明書的要求加註規定的機油達到油標刻度線，並在正式使用之前空載運轉，此時可以利用電機帶動齒輪箱，經檢查齒輪箱運轉平穩，無衝擊振動和異常噪音，潤滑情況良好，且各處密封和結合面不漏油，才能與機組一起投入試運轉。
載入試驗應分階段進行，分別以額定載荷的25%、50%、75%、100%載入，每一階段運轉以平衡油溫為主，一般不得小於2小時，最高油溫不得超過80?C，其不同軸承間的溫差不得高於15?C。
齒輪箱的潤滑
齒輪箱的潤滑十分重要，良好的潤滑能夠對齒輪和軸承起到足夠的保護作用。為此，必須高度重視齒輪箱的潤滑問題，嚴格按照規範保持潤滑系統長期處於最佳狀態。齒輪箱常採用飛濺潤滑或強制潤滑，一般以強制潤滑為多見。因此，配備可靠的潤滑系統尤為重要。電動齒輪泵從油箱將油液經濾油器輸送到齒輪箱的潤滑管路，對各部分的齒輪和傳動件進行潤滑，管路上裝有各種監控裝置，確保齒輪箱在運轉當中不會出現斷油。
在齒輪箱運轉前先啟動潤滑油泵，待各個潤滑點都得到潤滑后，間隔一段時間方可啟動齒輪箱。當環境溫度較低時，例如小於10?C，須先接通電熱器加機油，達到預定溫度后才投入運行。若油溫高於 設定溫度，如65?C時，機組控制系統將使潤滑油進入系統的冷卻管路，經冷卻器冷卻降溫后再進入齒輪箱。管路中還裝有壓力控制器和油位控制器，以監控潤滑油的正常供應。如發生故障。監控系統將立即發出報警信號，使操作者能迅速判定故障並加以排除。
對潤滑油的要求應考慮：1）減小摩擦和磨損，具有高的承載能力，防止膠合；2）吸收衝擊和振動；3）防止疲勞點蝕；4）冷卻，防鏽，抗腐蝕。不同類型的傳動有不同的要求。風力發電齒輪箱屬於閉式齒輪傳動類型，其主要的失效形式是膠合與點蝕，故在選擇潤滑油時，重點是保證有足夠的油膜厚度和邊界膜強度。因為在較大的溫差下工作，要求粘度指數相對較高。為提高齒輪的承載能力和抗衝擊能力，適當地添加一些極壓添加劑也有必要，但添加劑有一些副作用，在選擇時必須慎重。齒輪箱製造廠一般根據自己的經驗或實驗研究推薦各種不同的潤滑油，例如MOBIL632，MOBIL630或L-CKC320，L-CKC220 GB5903-95齒輪油就是根據齒面接觸應力和使用環境條件選用的。
在齒輪箱運行期間，要定期檢查運行狀況，看看運轉是否平穩；有無振動或異常噪音；各處連接和管路有無滲漏，接頭有無鬆動；油溫是否正常。定期更換潤滑油，第一次換油應在首次投入運行500小時後進行，以後的換油周期為每運行5，000-10，000小時。在運行過程中也要注意箱體內油質的變化情況，定期取樣化驗，若油質發生變化，氧化生成物過多並超過一定比例時，就應及時更換。
齒輪箱應每半年檢修一次，備件應按照正規圖紙製造，更換新備件后的齒輪箱，其齒輪嚙合情況應符合技術條件的規定，並經過試運轉與負荷試驗后再正式使用。 第六節 齒輪箱常見故障及預防措施 齒輪箱的常見故障有齒輪損傷、軸承損壞、斷軸和滲漏油、油溫高等。
一、 齒輪損傷
齒輪損傷的影響因素很多，包括選材、設計計算、加工、熱處理、安裝調試、潤滑和使用維護等。常見的齒輪損傷有齒面損傷和輪齒折斷兩類。
（一） 輪齒折斷（斷齒）
斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。根據裂紋擴展的情況和斷齒原因，斷齒可分為過載折斷（包括衝擊折斷）、疲勞折斷以及隨機斷裂等。
過載折斷總是由於作用在輪齒上的應力超過其極限應力，導致裂紋迅速擴展，常見的原因有突然衝擊超載、軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區等。斷齒斷口有呈放射狀花樣的裂紋擴展區，有時 斷口處有平整的塑性變形，斷口副常可拼合。仔細檢查可看到材質的缺陷，齒面精度太差，輪齒根部未作精細處理等。在設計中應採取必要的措施，充分考慮預防過載因素。安裝時防止箱體變形，防止硬質異物進入箱體內等等。
疲勞折斷髮生的根本原因是輪齒在過高的交變應力重複作用下，從危險截面（如齒根）的疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴展，使輪齒剩餘截面上的應力超過其極限應力，造成瞬時折斷。在疲勞折斷的發源處，是貝狀紋擴展的出發點並向外輻射。產生的原因是設計載荷估計不足，材料選用不當，齒輪精度過低，熱處理裂紋，磨削燒傷，齒根應力集中等等。故在設計時要充分考慮傳動的動載荷譜，優選齒輪參數，正確選用材料和齒輪精度，充分保證加工精度消除應力集中集中因素等等。
隨機斷裂的原因通常是材料缺陷，點蝕、剝落或其他應力集中造成的局部應力過大，或較大的硬質異物落入嚙合區引起。
（二） 齒面疲勞
齒面疲勞是在過大的接觸剪應力和應力循環次數作用下，輪齒表面或其表層下面產生疲勞裂紋並進一步擴展而造成的齒面損傷，其表現形式有早期點蝕、
