淺談風電齒輪箱振動機理

風電齒輪箱作為風力發電機組重要的增速設備，負責把葉輪在風力作用下獲得的動力傳遞給發電機并使其得到相應的工作轉速；為順應市場發展的需求，兆瓦級大功率風電齒輪箱，逐步成為市場主流；齒輪箱安裝在塔頂的狹小機艙內，常年經受無規律的交變載荷的沖擊，一旦出現故障，修復非常困難；通常要求齒輪箱的設計壽命為20年，對其可靠性要求極為苛刻；受制于齒輪箱總體設計、輪齒制造和加工工藝、整箱裝配工藝以及測試技術等諸多問題的影響，風電齒輪箱在機組運行過程中會出現齒輪損壞、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備狀態信息的經濟價值。振動不僅是風電行業的問題，對整個機械行業來說都是普遍存在普遍頭疼的問題，大多數情況下它往往以破壞者的身份出現，影響著設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。風電齒輪箱安裝在狹小的機艙內，常年受無規律交變載荷的沖擊，振動問題尤其突出，對振動的合理監測和分析對我們預防事故的發生，提高設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、質量不平衡、齒輪故障等因素導致的嚙合問題都體現為齒輪副的受載變形，最終通過傳動軸系傳遞給箱體。

表1風電齒輪箱部件故障率統計

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上表中列出的故障形式基本涵蓋了風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了齒輪箱故障比例的60%。研究齒輪的振動機理對于解決風電齒輪箱振動問題具有重要意義。

齒輪副力學模型分析：

圖1齒輪副力學模型

齒輪嚙合過程中有剛度的變化，有彈性變形，有阻尼的作用，根據齒輪副的嚙合機理可以得到對應的齒輪副力學模型，該力學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。

：振動位移對應的研究指標，指向彈性力；

：振動速度對應的研究指標，指向阻尼力；

：振動加速度對應的研究指標，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，無故障狀態下的向量振動，由系統的內部激勵和外部激勵產生，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。

齒輪參數對振動的影響：

風電齒輪箱的齒輪件，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的齒輪參數影響。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，對應的振動噪聲必然更小，圖2和圖3描述了嚙合齒輪數的變化對應的剛度變化，可知在不同嚙合瞬間，參與嚙合的齒數是不斷變化的，單個齒嚙合剛度小，2個齒嚙合剛度大，我們在齒輪參數設計的時候要盡可能的保證參與嚙合的齒數更多，這對應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，及軸承選型需要區別于直齒輪設計的機型。

 結論 

研究風電齒輪箱振動問題，首先要找到振動激勵源，雖然齒輪嚙合作為齒輪箱內部最大的激勵源，但是我們也不能忽視風機系統其他部件和對風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。