風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱和風(fēng)輪軸要承受無規(guī)律的變向變載荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響。為了增加機組的制動能力，還要在齒輪箱的輸入端或輸出端或上設(shè)置剎車裝置，配合空氣動力制動對機組傳動系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動，其工作狀態(tài)十分惡劣。而且機組多數(shù)安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，所處環(huán)境交通不便。齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。大量的實踐表明，在風(fēng)力發(fā)電機組的傳動鏈中齒輪箱是最薄弱的環(huán)節(jié)，加強對齒輪箱的研究，重視對其進(jìn)行維護保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。由于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組起停較為頻繁，葉輪本身轉(zhuǎn)動慣量又很大，風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一般都設(shè)計在幾十轉(zhuǎn)/分。機組容量越大，葉輪直徑越長，轉(zhuǎn)速相對就越低，為滿足發(fā)電機的轉(zhuǎn)速工作條件，在風(fēng)輪和發(fā)電機之間就需要配置齒輪箱增速。由于受到機艙尺寸的限制，風(fēng)力發(fā)電機組的機械傳動系統(tǒng)一般都沿機艙軸線布置，齒輪箱采用結(jié)構(gòu)緊湊的行星齒輪箱。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機組采用的齒輪箱傳遞扭矩增大，結(jié)構(gòu)更加緊湊、復(fù)雜，對風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計和制造的要求不斷提高。
盡管風(fēng)力發(fā)電機組有很多國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，但都是風(fēng)力發(fā)電機的性能、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前各制造商風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計各不相同，因此對風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化會有一定的妨礙，并影響到相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高。由于風(fēng)輪軸和齒輪箱在結(jié)構(gòu)上是相互影響的，而傳動鏈的不同方案直接決定了齒輪箱和風(fēng)輪軸的結(jié)構(gòu)。風(fēng)輪軸與齒輪箱軸是直接連接的部件，受力和工作狀態(tài)基本相同，使用的材料和加工工藝也基本相同，所以把它們放在一起進(jìn)行講解。
二、齒輪箱和風(fēng)輪軸的技術(shù)要求
齒輪箱和風(fēng)輪軸作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。在如此復(fù)雜工況下工作的齒輪箱和風(fēng)輪軸，在方案設(shè)計之初就必須進(jìn)行可靠性分析而設(shè)計完成后還要再次進(jìn)行詳細(xì)的可靠性分析計算，其中包括精心選取可靠性好的結(jié)構(gòu)和對重要的零部件以及整機進(jìn)行可靠性估算。
設(shè)計必須保證在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下進(jìn)行，力求使結(jié)構(gòu)簡化并且重量最輕通常應(yīng)采用CAD優(yōu)化設(shè)計，確定最佳傳動方案，選用合理的設(shè)計參數(shù)，選擇穩(wěn)定可靠的構(gòu)件和具有良好力學(xué)特性以及在環(huán)境極端溫差下仍然保持穩(wěn)定的材料。具體要求如下:
1.齒輪箱的正常工作條件
1)環(huán)境溫度為-40~50℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時應(yīng)加注防凍型潤滑油。
2)負(fù)荷是變化的或穩(wěn)定的、連續(xù)運轉(zhuǎn)的或間斷運轉(zhuǎn)的。
3)適用于單向或可逆向運轉(zhuǎn)。
4)高速軸最高轉(zhuǎn)速不得超過 2000r/min。
5)外嚙合漸開線圓柱齒輪的圓周速度不得超過20m/s，內(nèi)合漸開線圓柱齒輪的圓周速度不得超過 15m/s。
6)工作環(huán)境應(yīng)為無腐蝕性環(huán)境。
2.齒輪箱的設(shè)計技術(shù)要求
(1)使用壽命
齒輪箱的使用壽命不得低于20年。按照假定壽命最少20年的要求對齒輪箱部件及其零件的設(shè)計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動力學(xué)分析等。分析方法除一般推薦的設(shè)計計算方法外，還可采用模擬主機運行條件下進(jìn)行零部件試驗的方法。
(2)機械效率
齒輪箱的機械效率應(yīng)大于97%，是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)。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(fēng)阻損失，以及其他機件阻尼等。齒輪的效率在不同工況下是不一致的。
(3)降噪措施
齒輪箱的噪聲應(yīng)不大于85dB(A)。噪聲主要來自各傳動件，故應(yīng)采取相應(yīng)降低噪聲的措施:
1)適當(dāng)提高齒輪精度，進(jìn)行齒形修整，增加嚙合重合度。
2)提高軸和軸承的剛度。
3)合理布置軸系和輪系傳動，避免發(fā)生共振。
4)安裝時采取必要的減振措施，將齒輪箱的機械振動控制在GB/T8543規(guī)定的C級之內(nèi)。
(4)工作溫度齒輪箱最高工作溫度不得高于80℃;最低工作溫度不得于低10℃;其不同軸承間的溫度差不應(yīng)高于15℃;必要時增設(shè)加熱裝置或冷卻裝置。
(5)振動要求齒輪箱在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，傳動輪系、軸系應(yīng)不發(fā)生共振。齒輪箱的機械振動應(yīng)符合CB/T8543規(guī)定的C級。
(6)密封性能齒輪箱應(yīng)具有良好的密封性，不應(yīng)有滲、漏油現(xiàn)象，并能避免水分塵埃及其他雜質(zhì)進(jìn)入箱體內(nèi)部。齒輪箱的清潔度應(yīng)符合JB/T7929的規(guī)定。
(7)低速軸旋轉(zhuǎn)方向除非有特殊要求，一般情況下齒輪箱低速軸旋向應(yīng)符合下列要求:面對低速軸輸入端看，低速軸的旋向為右旋，即順時針方向。
(8)對防護漆的要求機械加工以后的全部外露表面應(yīng)涂防護漆，涂層應(yīng)薄厚均勻表面平整、光滑、顏色均勻一致。對油漆的防腐要求和顏色由供需雙方在技術(shù)協(xié)議中規(guī)定。
(9)相關(guān)附屬設(shè)備齒輪箱上應(yīng)設(shè)有相應(yīng)的觀察窗口蓋、油標(biāo)(必要時應(yīng)設(shè)油位報警裝置)、油壓表(必要時應(yīng)設(shè)油壓報警裝置)、空氣濾清器、透氣塞、帶磁性墊的放油螺塞(放油閥)以及起重用吊鉤等。
(10)過載能力，齒輪箱應(yīng)允許承受發(fā)電機短時間1.5倍額定功率的負(fù)荷。