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天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。——《周易》

第四章:风轮轴与齿轮箱

4.1技术要求及典型结构

齿轮箱是非直驱式水平轴风力发电机组必不可少的部件。我们一般使用齿轮箱都是为

了减速加力，而风力发电机上的齿轮箱是用于增速，以满足发电机对转速的要求。风力发

电机齿轮箱和风轮轴要承受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受

酷暑严寒和极端温差的影响，为了增加机组的制动能力，还要在齿轮箱的输入端或输出端

或上设置刹车装置，配合空气动力制动对机组传动系统进行联合制动，其工作状态十分恶

劣。加之机组多安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，所处环境交通不便，齿轮箱安

装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出

了比一般机械高得多的要求。大量的实践表明，在风力发电机组的传动链中齿轮箱是最薄

弱的环节，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要

由于并网型风电机组起停较为频繁，叶轮本身转动惯量又很大，组风电机组的风轮转

速一般都设计在几十转/分，机组容量越大，叶轮直径越长，转速相对就越低，为满足发

电机的转速工作条件，在风轮和发电机之间就需要配置齿轮箱增速。由于机舱尺寸的限制，

风电机组的机械传动系统一般都沿机舱轴线布置，齿轮箱采用结构紧凑的行星齿轮箱。随

着大型风电机组采用的齿轮箱传递扭矩增大，结构更加紧凑、复杂，对风电机组设计和制

造人员的要求也不断提高。

尽管风力发电机有很多国际和国家标准，但都是风力发电机的性能、质量标准。目前

风力发电机的结构设计百花齐放、各显神通，对风力发电机结构的标准化会妨碍技术进步。

由于风轮轴和齿轮箱在结构上是相互影响的，而传动链的不同方案直接决定了齿轮箱和风

轮轴结构。风轮轴与齿轮箱轴是直接连接的部件，受力和工作状态基本相同，使用的材料

和加工工艺也基本相同，所以把它们放在一起讲解。

一、齿轮箱和风轮轴的技术要求

齿轮箱和风轮轴作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷

部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的

外部工作条件。在如此复杂工况下工作的齿轮箱和风轮轴,在方案设计之初必须进行可靠

性分析，而设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的

结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。

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天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。——《周易》

设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常

应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件

和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料。具体要求如下：

（一）、齿轮箱应在下列条件内正常工作：

1.环境温度为－40～50℃，当环境温度低于0℃时应加注防冻型润滑油；

2、负荷是变化的或稳定的、连续运转的或间断运转的；

3、适用于单向或可逆向运转；

4、高速轴最高转速不得超过2000r/min；

5、外啮合渐开线圆柱齿轮的圆周速度不超过20m/s，内啮合渐开线圆柱齿轮的圆周速

度不超过15m/s；

6、工作环境应为无腐蚀的。

（二）、设计技术要求

1、齿轮箱的使用寿命不得低于20年。按照假定寿命最少20年的要求，对齿轮箱部

件及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变

形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机

运行条件下进行零部件试验的方法。

2、齿轮箱的机械效率应大于97％,是指在标准条件下应达到的指标。齿轮箱的效率可

通过功率损失计算或在试验中实测得到。