風(fēng)電齒輪箱特點(diǎn)
風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的增速設(shè)備,負(fù)責(zé)把葉輪在風(fēng)力作用下獲得的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速;為順應(yīng)市場發(fā)展的需求,兆瓦級大功率風(fēng)電齒輪箱,逐步成為市場主流;齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小機(jī)艙內(nèi),常年經(jīng)受無規(guī)律的交變載荷的沖擊,一旦出現(xiàn)故障,修復(fù)非常困難;通常要求齒輪箱的設(shè)計壽命為20年,對其可靠性要求極為苛刻;受制于齒輪箱總體設(shè)計、輪齒制造和加工工藝、整箱裝配工藝以及測試技術(shù)等諸多問題的影響,風(fēng)電齒輪箱在機(jī)組運(yùn)行過程中會出現(xiàn)齒輪損壞、軸承磨損以及軸斷裂等各種類型的失效問題。
近年來人們對振動問題的探討從未停止,并意識到振動反饋出的設(shè)備狀態(tài)信息的經(jīng)濟(jì)價值。振動不僅是風(fēng)電行業(yè)的問題,對整個機(jī)械行業(yè)來說都是普遍存在普遍頭疼的問題,大多數(shù)情況下它往往以破壞者的身份出現(xiàn),影響著設(shè)備的使用精度和使用壽命,還可能引起重大的安全事故,造成不可估量的損傷。風(fēng)電齒輪箱安裝在狹小的機(jī)艙內(nèi),常年受無規(guī)律交變載荷的沖擊,振動問題尤其突出,對振動的合理監(jiān)測和分析對我們預(yù)防事故的發(fā)生,提高設(shè)備使用的安全性具有重要作用。
齒輪箱振動機(jī)理分析
齒輪箱的振動主要由內(nèi)部嚙合齒輪副受載變形引起的,齒輪副正常情況下的受載及其因?yàn)檠b配、質(zhì)量不平衡、齒輪故障等因素導(dǎo)致的嚙合問題都體現(xiàn)為齒輪副的受載變形,最終通過傳動軸系傳遞給箱體。
表1風(fēng)電齒輪箱部件故障率統(tǒng)計
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上表中列出的故障形式基本涵蓋了風(fēng)電齒輪箱全部的故障部件及故障形式,其中齒輪的故障占據(jù)了齒輪箱故障比例的60%。研究齒輪的振動機(jī)理對于解決風(fēng)電齒輪箱振動問題具有重要意義。
齒輪副力學(xué)模型分析:

圖1齒輪副力學(xué)模型
齒輪嚙合過程中有剛度的變化,有彈性變形,有阻尼的作用,根據(jù)齒輪副的嚙合機(jī)理可以得到對應(yīng)的齒輪副力學(xué)模型,該力學(xué)模型可簡化成如下振動方程:

每一個參量定義如下:
嚙合阻尼;
齒輪嚙合剛度,隨時間變化;
齒輪受載后平均彈性變形;
齒輪傳動誤差和故障激勵引起的兩齒輪間的相對位移。
:振動位移對應(yīng)的研究指標(biāo),指向彈性力;
:振動速度對應(yīng)的研究指標(biāo),指向阻尼力;
:振動加速度對應(yīng)的研究指標(biāo),指向慣性力。
齒輪振動的激勵源有兩個部分組成:
正常的嚙合激勵,無故障狀態(tài)下的向量振動,
由系統(tǒng)的內(nèi)部激勵和外部激勵產(chǎn)生,齒輪的故障振動由它引起,其特征取決于齒輪的故障狀況,簡而言之對齒輪振動問題的研究就是對
激勵源的識別和定位。
齒輪參數(shù)對振動的影響:
風(fēng)電齒輪箱的齒輪件,簡單點(diǎn)可分為直齒和斜齒兩大類,不論是直齒或是斜齒的嚙合和振動情況都受其對應(yīng)的齒輪參數(shù)影響。圖2和圖4分別描述了直齒輪和斜齒輪嚙合剛度的變化特性,可見斜齒輪剛度嚙合更加平滑,對應(yīng)的振動噪聲必然更小,圖2和圖3描述了嚙合齒輪數(shù)的變化對應(yīng)的剛度變化,可知在不同嚙合瞬間,參與嚙合的齒數(shù)是不斷變化的,單個齒嚙合剛度小,2個齒嚙合剛度大,我們在齒輪參數(shù)設(shè)計的時候要盡可能的保證參與嚙合的齒數(shù)更多,這對應(yīng)一個重要的參量即重合度,重合度越大,嚙合剛度越大,振動越小。

圖2直齒輪剛度變化

圖3直齒輪嚙合齒數(shù)變化

圖4斜齒輪剛度變化
雖然斜齒輪的嚙合更平滑,但是選用斜齒輪設(shè)計的機(jī)型必須考慮軸向載荷對齒輪嚙合的影響,對于軸系的軸向定位,及軸承選型需要區(qū)別于直齒輪設(shè)計的機(jī)型。
結(jié)論
研究風(fēng)電齒輪箱振動問題,首先要找到振動激勵源,雖然齒輪嚙合作為齒輪箱內(nèi)部最大的激勵源,但是我們也不能忽視風(fēng)機(jī)系統(tǒng)其他部件和對風(fēng)電齒輪箱振動的影響,只有找到了振動之源才能解決齒輪箱振動問題。