双馈式风电机组齿轮箱分析

熊永强

摘要：随着全球经济的发展，对于能源资源的消耗和需求也在持续增加，只会导致全球资源日益枯竭，而且对生态环境也会造成不同程度的破坏，为此必须要开发绿色可再生的新能源并已经引起各个国家的重视，目前已开发的新能源包括水能，风能太阳能、潮汐能等。其中风能具有可再生环保且成本较低的优势，具有非常广阔的发展前景，而且在我国的发展也非常迅速，风力发电机组中齿轮箱作为最重要的传动部件，如果一旦发生故障，其维修成本很高，不仅会导致风力发动机组运行受到影响，而且也会对整个电力系统的稳定运行造成冲击，造成很高的经济损失。

关键词：双馈式；风电机组；齿轮箱

双馈式风力发电机组齿轮箱的传动功率非常广泛，而且精度高，传递效率更加具有非常良好的使用性能，但是在实际应用的过程中，其自身的加工及装配精度要求高，而且整体的设备成本高，故障后造成风机无法正常发电，维修价格高，所以必须要加强对双馈式风力发电机组齿轮箱进行深入的研究。为此必须要针对风力发电齿轮箱的运行特征进行实时分析，总结其振动及噪音规律并且加强对故障的根本原因进行判断，才能够更好的提高风力齿轮箱的运行时长，增加其经济效益。

一、齿轮箱

风电齿轮箱就是将叶片转动过程中吸收的风能转变成电能的关键零部件，更是风力发电机组的核心部件，由于大多数的风力发电机组通常建设在戈壁，沿海，高原及海上等恶劣环境。在长时间运行的过程中，齿轮箱容易产生各种故障，而且维修非常困难，成本高，周期长，不仅会导致社会的经济效益受损，如果没有能够及时的对齿轮箱故障进行解决，也很容易导致风力发电机组其它零部件的使用性能造成严重破坏，所以为了能够进一步提高风力发电机组齿轮箱的可靠性和稳定性，必须要对齿轮箱的动态特征进行深入的分析，明确齿轮箱在不同工况和风况的作用下，其自身的受力情况以及振动和噪音机理等问题，确保对齿轮轴承等动态应力的研究效果得到有效加强。

二、风力发电机机组建模

风力发电机包括叶轮，主轴，齿轮箱，发电机，机舱和塔筒等部分，所以在建模的过程中必须要对这些部分进行全面的划分，并且制定相应的参数转化模型，确保所有的部件都能够在模型中有效建模，在主轴部分，可以设置轮毂叶片和主轴两部分，其中主轴主要利用双轴承支撑的标准头型，而两轴承可以起到承受有效的非转矩荷载，保证只传递给齿轮箱扭矩，其它叶片弯矩可以通过主轴承传递给机舱架。

风力发电机控制的主要方式不同，但是在双馈风力发电机组中主要的控制方式为变速型风力发电机，可以通过发电机转矩和叶片变桨的方法来维持风力发电机的恒功率运行。在风力发电机组中，其主要的控制曲线包括低于切入风速时，发电机脱网，叶片的输入转矩为0，这时的风机空转，但是不能够发电。

还有种工况低于额定转速运行，由于风机的夜间述要获得最大功率，所以发电机转距也能够通过功率系数曲线以及最优模型争议来进行控制，这样能够保证风机获得最大的风能，部分机型还对其噪音进行控制。第三种工况为高出额定转速的工况，由于风力的不断加大，发电机组的转矩也在不断的变化，这样也能够减少风能来保证风机的安全运转。

三、风电机组齿轮箱产生的故障和原因

（一）齿轮故障

风电机组齿轮箱产生的故障损伤包括齿轮齿面断裂，齿面点蚀，齿根折断，胶和或磨损等问题，这些不同的故障都会导致齿轮运转受到影响，严重的情况下还会出现较多轮齿折断等情况，齿轮损伤的主要原因在于在长时间运转的过程中，由于没有及时的进行养护，所以導致齿轮润滑油失效，润滑效果不理想，另外也有可能因为齿轮变形摩擦力增大，而导致区域内的温度升高，造成润滑油膜太薄等情况。在轮齿表面出现磨损的过程中，可能是因为润滑油失效，润滑不良，或者是各种杂物进入到内部而导致齿轮磨损。

（二）轴承损坏

在风电机组齿轮箱运行的过程中，轴承是最重要的组成部分如果没能够对轴承进行适当的保养很容易导致轴承的故障几率明显上升，尤其是在齿轮箱运行的过程中，由于轴承型号选择不当，轴承间隙及配合选择不合理，安装出现问题，润滑油牌号不对，长期未更换等都有可能造成轴承运行失效，例如在轴承中滚道点蚀或者产生裂纹，其主要的原因在于轴承间隙选择不当，油压比较低，油液位置设置不当，润滑油含水量高等原因。

（三）齿轮箱渗油

齿轮箱在运转的过程中出现渗油问题，则很有可能是因为齿轮箱的密封结构设计不到位或回油孔太小，回油效果不理想，造成润滑油局部液位高而产生漏油，另外在管接头处如果没有拧紧或者出现松动等情况，也有可能导致管接头螺纹密封效果不理想，造成管接头渗油情况。另外磨损也会造成颗粒杂物涌入到油管之中，甚至会造成供油压力高或齿轮回油道堵塞而造成油渗漏问题。

（四）齿轮箱异常响动过大

在齿轮箱不断运行的过程中，如果因为较高的振动而引发的异响或振动值同比增加较多，必须要进行及时的处理，因为振动问题产生的原因非常复杂，可能是因为齿轮件和箱体之间因为加工精度不高而造成零部件之间存在比较大的传递误差，或者是箱体的强度刚度不足，也会造成齿轮副之间出现异常变形，另外齿轮或轴承也会因为摩擦受损或强度不够而造成疲劳点蚀，导致齿轮啮合产生异常振动值。

四、风电齿轮箱设计和运行维护的主要策略

在齿轮箱设计的过程中，必须要保证齿轮件和箱体的加工精度及选择合适的润滑油，由于精度的提高的同时可以尽可能的减少表面粗糙程度，这样就能够降低齿轮件之间的摩擦力，也能够延长整个齿轮运行的整体效果，所以在齿轮箱生产制造的过程中，必须要通过现有的高科技手段及设备对整个齿轮件的磨削和生产进行全面的控制，保证高精度的生产效果和生产质量，另外也要提高齿轮件齿面的加工精度，通过利用先进的技术和软件，并结合使用经验对齿面的修形进行优化，避免齿轮在传动的过程中出现异常接触，增加传动平稳性，降低传递误差。其次，在齿轮箱设计优化的过程中，最主要的就是保证齿轮箱行星级部分能够得到合理的优化，因为行星轮系不可拆卸，维修难度大且成本高，所以很容易导致维修不及时。对于平行级，在设计的过程中必须要保证高速轴能够在不下架的情况下，塔上进行拆卸，而且在后续产品维修和拆卸的过程中也可以对整个平行轴系进行进一步的优化，确保包括高速轴的的平行轴系拆卸条件得到有效增强，除了平行级可拆卸的条件进行设计优化之外，还要尽可能对整个齿轮箱的其它零部件模块化设计，如因为螺栓质量或装配问题而造成齿轮箱箱体或齿圈出现断裂的情况，也需要及时的进行更换，否则很容易导致齿轮箱的正常运行受到影响，甚至下架维修。

结论：

本文通过对双馈型风力发电机用齿轮箱进行深入的分析，并总结了风力发电机齿轮箱的运行特点，研究了风力发电机机组模型的构建。通过对风力发电机齿轮箱常见的故障进行分析，提出相应的解决优化策略，能够提高风力发电机齿轮箱的可靠性及降低维修时间，确保风力发电机组的健康安全运行，为生产与生活提供高质量的清洁能源，促进我国可再生能源的可持续健康发展。

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（作者单位：南京高速齿轮制造有限公司）