风电增速箱一般结构及原理

进口风电增速箱的材料与主要工艺要求
名称 主轴 内齿圈 行星轮 行星架 太阳轮 太阳轮轴 一级主齿 鼓型套 中间轴 高速轴 硬度 材料 42CrMo 42CrMo 17CN5 45 17CN5 17CN5 17CN5 42CrMo 17CN5 17CN5 17CN5 25.5 30-31 61 24.5 55 51-52 58.4 HV550 58.1 60 中 间 轴 齿 55.1 轮 胀紧套 37 胀 紧 套 楔 HB175 块 箱体 HB 热处理工艺 硬化层深 表面粗糙 度 调质 0.8 调质 0.8 渗碳淬火 1.0-1.2 0.8 调质 1.6 渗碳淬火 1.2-1.5 0.8 渗碳淬火 1 0.8 渗碳淬火 1 0.8 调质后氮化 0.3 0.8 渗碳淬火 0.8 渗碳淬火 0.7 0.8 渗碳淬火 1.0 0.8 精度 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
常见增速箱的一般结构
德国弗兰德4280系列（642kw）增速箱结构
Ⅲ Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
Ⅰ Ⅱ
图1一级行星齿轮+二级平行轴圆柱齿轮传动的增速箱结构简图
传动结构：由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传 动组成 传动过程： 主轴 胀紧套 行星架 行星 轮 太阳轮 花键套 低速轴（Ⅰ轴） 中 间轴（Ⅱ轴） 输出轴（Ⅲ轴） 发电机 传动比：r输入=27.24r/min r输出= 1509r/min i总=55.40 速比分配： 太阳轮与主轴速比i为5.56 中间轴与低速轴速比i为4.05 输出轴与中间轴速比i为2.46
国内（重齿FLA600、杭齿FZ646、南高齿FD600,功率 645KW)增速箱结构
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
图4两级行星机构串联轴传动增速箱结构简图
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
图5两级行星机构串联轴传动增速箱内部结构简图
传动结构：两级行星机构串联轴结构 传递过程：主轴 Ⅰ级行星架 一级太阳轮 Ⅱ 级行星 二级太阳轮 串联轴Ⅲ 发电机 传动比：r输入= 33.5r/min r输出= 1517.55r/min i总= 45.3 特点： 输入转速高 结构紧凑 体积是同等功率其他类型增速箱的70%，重量轻 制造精度要求较高，结构复杂
风电增速箱的一般结构及原理
风力发电机整体结构
风力发电机由叶片、增速齿轮箱、风叶控 制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成。
视频
图1风力发电机部件位置图
增速箱概述
功能：将风轮在风力作用下所产生的动力 传递给发电机并使其得到相应的转速 特点 1、安装空间狭小，要求体积小、重量轻。 2、受无规律的变向变负荷及强阵风的冲击 3、常年经受酷暑严寒和极端温差的影响 4、所处环境交通不便，拆卸及运输不便 5、一旦出现故障，修复非常困难
2、齿轮参数的设计要点
1、斜齿轮受力分析
T=9549P/n1 T=Ftd/2 由于功率P转速n1是定值，扭矩T为 定值，而d不变则Ft不变 F= Fncosаn Fr=Fnsinаn Ft= F cosβ Fx= F sinβ Fr= Ftsinаn /cosаncosβ=Fttgаn/cosβ, 故径向力Fr随压力角аn增大而增大。 Fx=F/cosβ=Ftsinβ/ cosβ=Fttgβ, 故轴向力Fx随螺旋角β的增大而增大。
例如图7、图.8、图.9、图.10分别为20CrMnTi、20CrMnMo、 20MnCr5、17CrNiMo6的弯曲疲劳强度分布图。
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
分 布 频 次
系列1
400440
440480
480520
520560
560600
600640
640680
680720
风电齿轮箱的国产化主要工艺过程设计
传统工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛 刺清洗 渗碳淬火 清理抛丸 磨齿 检验 改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 精度粗加 工+去毛刺清洗 预热处理 重行奥氏体化渗碳淬火 {A’ M(a)} 清理抛丸 少余量缓进给磨齿 检验 对重要件改进后的工艺流程:锻造 正火+高温回火 粗加工+去毛刺清洗预热处理 重行奥氏体化渗碳淬 火 清理抛丸 磨齿 强力抛丸 微量磨削 检验
图6 20CrMnTi弯曲疲劳强度分布图
30 25 分 20 布 15 频 次 10 5 0 480-520 520-560 560-600 600-640 640-680 680-720 720-760
系列1
图7 20CrMnMo弯曲疲劳强度分布图
10 8 分 布 频 次 6 系列1 4 2 0 500-540 540-580 580-620 ≥620
可靠性 按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布 情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状 态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性 和变形极限分析、动力学分析等。
4、参数选择
齿形角а的选择：标准齿形角20°， • 采用大齿形角22.5、25、28等，可提高齿根弯曲强度 （丹麦Ja-Ke CS520增速箱） • 采用小于20°齿形角，加大重合度，降低噪声和动载荷 模数m选择：满足轮齿的弯曲强度条件下，选用较小模数 可增大齿轮副的重合度，减小滑移率，减小齿轮切削量， 降低制造成本。转速高的齿轮尽量减轻重量。
图8 20MnCr5弯曲疲劳强度分布图
7 6 5 分 布 4 频 3 次 2 1 0 520-560 560-600 600-640 ≥640
系列1
图9 17CrNiMo6弯曲疲劳强度分布图
结论：从图中可以明显看出，这四种常用齿轮钢 在制造大小相当的齿轮，其基本加工工艺相同的 弯曲疲劳强度的低限逐步提高，高限接近（最大 值均在750N/mm2附近），也就是说分布范围收 窄，结合风电增速箱的参数计算，及每个齿轮的 应力循环次数，在选材方面从一级主齿及低速轴 大齿轮和中间轴均选用20CrMnMo ，太阳轮、行 星轮、中间轴上齿轮和输出齿轮轴轴选用 17CrNiMo6。根据实际运行情况及损坏统计同一 部件加工精度等级上要比国产化风电增速箱提高 一级。
调质 HB300-330 渗 碳 + 淬 58-62 0.9-1.2 火+回火 调质 HB300-330
33-42
渗 碳 + 淬 58-62 火+回火
17CrNiMo6 渗 碳 + 淬 58-62 火+回火
中 间 轴 17CrNiMo6 渗 碳 + 淬 58-62 齿轮 火+回火 箱体 Q235+45 退火 HB140-180
齿数z：齿数增加和模数减小可明显提高传动质量 螺旋角β：螺旋角太小，将失去斜齿轮的优点，取大值可 增加重合度，使传动平稳性提高。但会增加轴向力，一般 8°-15°。 齿宽b：齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿 宽越大，载荷分布不均现象越严重。
内齿圈 行星轮 太阳轮
42GrMoA 调质 HB300-330 17CrNiMo6 渗 碳 + 淬 58-62 1.7-2.0 火+回火 17CrNiMo6 渗 碳 + 淬 58-62 火+回火 1.7-2.0
33-42 33-42
低速轴 20CrMnMo 一 级 主 20CrMnMo 齿 鼓型套 中间轴 高速轴 42GrMo 20CrMnMo
增速箱齿轮的设计要点
1、材料的选取及热处理方式
材料的选取上要对材料的弯曲疲劳强度分布进行分析，对 材料强度统计其平均值和分布规律。 优点： 对齿轮的设计、计算可以比国家标准提供更可靠的计算数 据。 分析不同材料的疲劳强度分布规律对材料的选择提供依据。 使材料的使用性能和所需费用达到优化。
中间轴齿轮 20CrMnMo 胀紧套 40Gr 胀紧套楔块 40GrMo
箱体 QT400
渗碳淬火 调质 调质
退火
56-60 1.2 35-40 HB180-280
HB140-180
Байду номын сангаас
32-40
5 5 5
5
国产化材料的设计：
尽量选用杂质含量低的钢，尽量降低钢材的含氧量，力求 小于5PPm 锻造工艺的控制要求晶粒度要求大于6级 要有足够的锻造比，达到内部夹杂物和疏松等缺陷的大小 与晶粒相当，形状不尖锐，分布不连续，尽量远离表面 对于高速轴，应选用合金含量高的表面渗碳钢，控制芯部 的抗拉强度及断面收缩率 对轴颈过度圆角进行研磨，以提高轴齿的疲劳性能及轴颈 的弯曲、扭转疲劳性能 低速级模数大、直径大的齿轮，要考虑材料的淬透性和渗 碳过程的抗晶界氧化和晶粒长大的能力。 大齿圈国外采用ADI-1000，表面石墨球可以改善润滑条 件，国产没有足够的生产能力，常采用渗碳钢，要提高润 滑油粘度，保证齿面有充分的润滑
40Cr 40CrMo
QT400
调质 调质
退火
1.6 1.6
1.6
4 4
4
国产化的风电增速箱的材料及工艺要求
名称 主轴 内齿圈 行星轮 行星架 太阳轮 太阳轮轴 一级主齿 鼓型套 中间轴 高速轴 材料 42GrMoA 42GrMoA 20MnCr5 45 20CrMnTi 20CrMnMo 20CrMnTi 42GrMo 20CrMnTi 17CrNiMo6 热处理工艺 调质 调质+氮化 渗碳淬火 调质 渗碳淬火 渗碳淬火 渗碳淬火 调质后氮化 渗碳淬火 渗碳淬火 表面硬度 25-32 HV700 58-62 20-28 58-62 56-60 58-62 HV550 56-60 58-62 硬化层深 芯部硬度 0.3 1.0-1.2 1.2-1.5 1.5 1．5 0.3 1.2 1.2 28-38 30-38 30-38 24-35 30-38 28-35 28-35 32-42 精度 5 6 5 5 5 5 5 5 5 5
特点
全部是圆柱齿轮传动，传动结构相对比较简单 上下对开式结构，拆装极其方便 所用轴承均为调心滚子轴承，承载能力强，可以 调节同轴误差 全部轴承都采用强制喷油润滑，润滑充分 输出轴自带油泵，无需再配备电机 齿轮相对于轴承的位置不对称，要求轴有较大的 刚度 体积和重量相比同等功率增速箱都要大
我公司风电增速箱部件的选材及工艺要求
名称 材料 热处理工 表面硬度 艺 硬化层深 芯部硬度 表 面 精度 粗 糙 度 0.8 6GB10095 0.8 5GB10095 0.8 0.8 0.8 1.6 1.5-1.8 0.9-1.2 0.9-1.2 33-42 33-42 33-42 0.8 0.8 0.8 1.6 5GB10095 4GB10095 4GB10095 4GB10095 4GB10095 4GB10095 4GB10095 5
特点： 结构紧凑 胀紧套的连接传递的扭矩大，低速级主轴转速低 行星传动，功率分流，太阳轮浮动均载，传动平 稳 配对外花键加工为鼓形花键，增加太阳轮的浮动 量 末二级为平行轴圆柱齿轮传动，扭矩小，可合理 分配减速比，提高传动效率 齿轮箱拆卸方便，但要求加工精度较高
西班牙TegsaPE-477B(350KW)增速箱结构
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图2三级圆柱齿轮传动增速箱二维结构展开简图
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图3三级圆柱齿轮传动增速箱内部轴系位置三维结构简图
传动结构：三级平行轴圆柱齿轮传动 传动过程：输入轴（Ⅰ轴） 一级增速齿轮轴（Ⅱ轴） 二级增速齿轮轴（Ⅲ轴） 输出轴（Ⅳ轴） 传动比：r输入=34r/min r输出= 1512.8r/min i总=44.49 速比分配： 一级增速轴（Ⅱ轴）与输入轴（Ⅰ轴）速比i为3.90 二级增速轴（Ⅲ轴）与一级增速轴（Ⅱ轴）速比i为3.53 输出轴（Ⅳ轴）与二级增速轴（Ⅲ轴）速比i为3.23
·
2、设计载荷
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。按照 JB/T10300标准计算确定。 按照实测载荷谱计算，齿轮箱使用系数KA＝1。当无法得 到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
3、设计要求
效率：机械效率应大于97% 噪声级：噪声标准为85dB（A）左右 降低噪声的措施： 1. 提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度； 2. 提高轴和轴承的刚度； 3. 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振； 4. 安装时采取必要的减振措施。