风电齿轮传动系统动力研究

范树欣 孙文文

摘 要：随着我国社会经济快速增长，我国对能源的需求量越来越大。为了解决环境和发展之间矛盾，我国在近些年大力发展风力能源，以此保护我国的环境。风电齿轮传动系统在风力发电机组中具有重要作用。风电齿轮是整个机组中最为重要也是最为脆弱的部件，合格的风电齿轮能够保证机组正常运行。该文主要研究了风电齿轮传统系统以及关于风电齿轮故障的相关内容。

关键词：风电齿轮 传动系统 动力 动态特性 故障检验

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0043-01

随着社会经济快速增长，我国对能源的需求量越来越大。为了解决环境和发展之间矛盾，我国在近些年大力发展风力能源，以此保护我国的环境。但是在发展的过程中出现了较多的问题，影响风电机组正常运行的主要因素是风电齿轮的传动系统，要提高风力发电的整体效率，就要保证风电齿轮的传动系统能够正常运行。

1 风电齿轮传统系统

1.1 风电齿轮传动系统简介

在风力发电机组中风电齿轮的转速较低，这还达不到发电机发电的转速要求。这就需要风电机组的传动系统来提高转速，以此实现发电的功能。那么风电齿轮传动系统的结构又是什么样的呢？如图1所示。

上图为风电齿轮传动系统结构简图，图中从左到右的齿轮结构依次为行星轮级、中速齿轮级和高速齿轮级，每一级的级速比为1：3到1：5之间。该类型的风电齿轮传动系统在标准条件下的机械效率为百分之97，噪声标准可控制在85db（A）左右，使用寿命可达20年左右。从图中我们不难发现，行星齿轮的排列形式地优化，这样就可以减轻机组在运行时的载荷，从根本上减少了每个齿轮级之间的载荷。齿轮不再承受大量的载荷，就可以缩减齿轮的体积和质量，这就可以提升齿轮传动系统的工作效率。这种结构的齿轮虽然提高了齿轮传动系统的工作效率，但是使用行星轮会使得整个传动系统和齿轮箱的结构复杂化，在后期维护中会出现更多问题。

为了进一步简化齿轮传动系统，提高传动效率。在齿轮的传动链上，减少了输入级的用料，这就是为什么齿轮的输入级常常采用的是行星轮级的结构，而齿轮的输出级采用平行传动的结构。除此之外，在整个传动系统中为让整个齿轮的传动系统保持稳定并集中在整个齿轮的机箱内，齿轮传动系统的固定方式经常采用内齿圈固定的方式。

1.2 风电齿轮传动系统的相关数学方程

在研究风电齿轮传动系统动力时，我们可以引用数学模型对传动系统的动力进行研究。在研究风电齿轮传动系统时，主要使用的数学模型有三种：（1）是传递矩阵法；（2）是集中参数法；（3）是有限元法。

集中参数法是利用数学中的线性方程或者非线性方程来建立齿轮的动态模型。利用该种模型可以使抽象画的齿轮传动系统运转过程更加容易理解。上文曾提到风电齿轮传动系统是多级、多齿轮传动系统，其运行结构较为复杂。这时我们就可以使用集中参数法建立于传动系统等价的动力模型，将多级、多齿轮的传动系统简化为离散空间数学模型。

齿轮传动系统在运行时还会产生振动，一般振动形式分为径向振动、圆周方向振动、和轴向振动。鉴于风电齿轮的传动系统的运动过程十分复杂，在建立模型时要考虑到三个方向的振动，则建立的振动模型将会变的更为复杂，振动模型的自由度则会大大增加。经分析，我们不难发现齿轮传动系统的振动方式主要为圆周方向振动，也称为扭转振动。在建立系统模型时，就可以建立扭转系统为齿轮传动系统的模型，以此进行深入研究。

2 风电齿轮传动系统故障相关内容

2.1 风电齿轮传动系统常见故障

一般来讲，齿轮传动系统的具体故障可以分为：齿轮的轴承损坏、齿轮传动系统的断齿点磨损、传动系统断轴等等。齿轮传动系统损坏是造成发电机组不能正常运行的主要原因。造成齿轮损坏的主要原因又有：局部断齿、齿轮传动系统磨损、齿轮轮点腐蚀、齿轮胶合问题、齿根磨损严重。

2.2 风电齿轮传动系统故障诊断算法

当风电齿轮出现故障的时候，就要及时对故障问题进行诊断，以此判断出风电齿轮传动系统的具体故障是什么。现阶段使用的故障诊断方法成功率较低，而且不能确定故障的具体原因。该文主要介绍了一种新的诊断方法-BP网络智能诊断方法。

该种网络最早是在1986年提出的，也是目前使用最为广泛的诊断网络之一，BP网络利用了误差逆传播方法进行诊断。同时该网络具有良好的非线性映射功能，只要通过相关设计就可以输出数据样本，得到非线性映射的数据。除此之外，一旦输入的数据出现了较大的误差或者出现了错误数据时，该诊断网络还会自行进行判断，保证输出的数据满足基本规律。

该网络在进行工作时的具体方法又是什么呢？BP网络在运行时，通常使用BP算法，该算法的主要操作步骤为：（1）是系统根据输入、输出的数据，自行构建网络架构；（2）是网络会进行数据初始化工作，并自行选取阈值和相关函数；（3）是输入数据样本并进行计算；（4）是网络会自行计算每层中的错误信号；（5）是网络在完成相关数据计算之后，会进行相关数据检查；（6）是系统会根据汇总的数据计算各层数据之间的误差，并得到相关的数据修正值；（7）是网络会按照修正值的数据进行重新计算，直到满足相关要求时就停止算法。

3 结语

总而言之，随着风力发电机组的功率越来越大，这对风电齿轮的传动系统的稳定性和可靠性提出了更大的要求。我国对于风电齿轮传动系统研究上还存在很大问题，加之风电齿轮工作的环境较为苛刻，风力发电机组在实际运行过程中还需要解决很多问题。面对这些问题，我国研究部门更不应该急躁冒进，应该脚踏实地的处理好每个细节问题，这样才有利于我国更好使用新能源，处理好环境和资源之间的问题。

参考文献

[1] 王碧石.1.5MW风电机组齿轮箱关键部件的静力与疲劳寿命分析[D].宁夏：宁夏大学，2009.

[2] 张立勇.大型风电齿轮箱均载性能研究及优化[D].郑州：机械科学研究总院，2009.

[3] 杨献恩.航空发动机高速齿轮传动系统动力学研究[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2009.