淺談風(fēng)電齒輪箱振動機理

 風(fēng)電齒輪箱特點 

風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機組重要的增速設(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)電齒輪箱在機組運行過程中會出現(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)濟價值。振動不僅是風(fēng)電行業(yè)的問題，對整個機械行業(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為裝配、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。