當按照實測載荷譜計算時,齒輪箱使用系數KA=1;
當無法得到載荷譜時,對于三葉片風力發電機組取KA=1.3。
風力發電機組增速箱的主要承載零件是齒輪,其輪齒的失效形式主要是輪齒折斷和齒面點蝕、剝落,故各種標準和規范都要求對齒輪的承載能力進行分析計算,常用的標準是GB/T3480或DIN3990(等效采用ISO6336)中規定的齒根彎曲疲勞和齒面接觸疲勞校核計算,對輪齒進行極限狀態分析。
1.1.1. 效率
齒輪箱的效率可通過功率損失計算或在試驗中實測得到。功率損失主要包括齒輪嚙合、軸承摩擦、潤滑油飛濺和攪拌損失、風阻損失、其他機件阻尼等。齒輪傳動的效率可按下列公式計算:
η=η1η2η3η4 (1)
式中 η1——齒輪嚙合摩擦損失的效率;
η2——軸承摩擦損失的效率;
η3——潤滑油飛濺和攪油損失的效率;
η4——其他摩擦損失的效率。
對于行星輪系齒輪機構,計算效率時還應考慮對應于均載機構的摩檫損失。行星齒輪輪系的效率可通用一般機械設計手冊推薦的公式進行計算。其方法主要有嚙合功率法和力偏移法兩種。嚙合功率法通過轉化機構(定軸輪系)的機械效率來求出行星輪系的機械效率,雖然是一種近似算法,但由于方便計算和理解,故常用此法進行設計計算。力偏移法有較高的精度,但計算繁雜,一般少用。
風力發電齒輪箱的專業標準要求齒輪箱的機械效率大于97%,是指在標準條件下應達到的指標。
對于采用滾動軸承支承且精確制造的閉式圓柱齒輪傳動,每一級傳動的效率可概略定為99%,一般情況下,風力發電機組齒輪箱的齒輪傳動不超過三級。值得指出的是,隨著傳遞載荷的減小,效率會有所下降,這是因為整個齒輪箱的空載損失,即潤滑油飛濺和攪動時的能量損失、軸承的摩擦以及密封等的損失,在傳遞功率變化時幾乎是不變的。
1.1.2. 噪聲級
風力發電增速箱的噪聲標準為85dB(A)左右。噪聲主要來自各傳動件,故應采取相應降低噪聲的措施:
適當提高齒輪精度,進行齒形修緣,增加嚙合重合度;
提高軸和軸承的剛度;
合理布置軸系和輪系傳動,避免發生共振。
齒輪箱安裝時采取必要的減振措施,按規范找正,充分保證機組的聯接剛度,將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規定的C級之內。
1.2. 可靠性
按照假定壽命最少20年的要求,視載荷譜所列載荷分布情況進行疲勞分析,對齒輪箱整機及其零件的設計極限狀態和使用極限狀態進行極限強度分析、疲勞分析、穩定性和變形極限分析、動力學分析等。分析方法除一般推薦的設計計算方法外,可采用模擬主機運行條件下進行零部件試驗的方法。可靠性分析的步驟是: 在方案設計開始時進行可靠性初步分析,而在施工設計完成后再次進行詳細的可靠性分析計算,其中包括精心選取可靠性好的結構和對重要的零部件以及整機進行可靠性估算。
2. 齒輪箱的構造
2.1. 齒輪箱的類型與特點 風力發電機組齒輪箱的種類很多,按照傳統類型可分為圓柱齒輪增速箱、行星增速箱以及它們互相組合起來的齒輪箱;按照傳動的級數可分為單級和多級齒輪箱;按照轉動的布置形式又可分為展開式、分流式和同軸式以及混合式等等。常用齒輪箱形式及其特點和應用見表1。