大型风电齿轮箱关键设计技术研究

近年来，随着人们对风力发电越来越重视，风电产业迅猛发展。目前，水平轴风力发电机在风力发电中仍占据重要位置，而由于风电齿轮箱的故障率较高，风电齿轮箱设计制造的关键技术一直是困扰我国乃至世界风电快速发展的重要因素，特别是随着风力机单机容量的不断增大，大型风电齿轮箱设计制造需要考虑的因素越来越多。风电机组在运行过程中，齿轮箱往往过早损坏，其原因主要是风电齿轮箱轴承在复杂载荷作用下的寿命难以估算，导致轴承过早损坏，另一方面，尽管目前对轴承寿命的计算方法繁多，但并没有能准确评估现代轴承寿命的计算方法。此外，对风电齿轮箱的强度计算方法和复杂载荷的处理也不尽完善。因此，对大型风电齿轮箱装置展开系统、深入的分析研究对风电的发展具有重要意义。本文结合我国风电发展的实际情况，针对MW级风电齿轮箱的关键技术，从变载荷处理方法、轴承寿命计算方法、齿轮强度计算方法等方面对风电齿轮箱进行了较为系统深入的研究，并对一级行星加两级定轴传动的风电齿轮箱主要几何参数进行了优化。本论文所作的主要工作有： 1)根据风电齿轮箱承受载荷的复杂性，对其载荷情况进行了分析研究，并根据材料的疲劳曲线推导出了不同扭矩水平下载荷循环次数之间的相互关系，利用Miner准则对风电齿轮箱载荷谱进行了处理，得到了给定载荷谱的等效扭矩和使用系数。 2)对现代轴承寿命计算方法进行了研究分析。通过对ISO、FAG、SKF等轴承寿命计算方法的对比研究，指出了影响轴承寿命的重要因素，并对这些因素对轴承寿命的影响情况做了较为详细的分析计算，从而为实际工程应用提供理论指导。 3)对齿轮强度计算标准ISO 6336与美国国家标准AGMA 2101—C95中的齿轮强度计算方法进行了对比研究，分析了两种计算方法的计算模型和计算公式，讨论了计算公式中各系数影响因素的相同和不同之处，并通过实例计算研究了两种计算方法对齿轮主要几何参数的敏感程度，得到了两种计算方法之间不存在一个固定系数可以相互转换的结论。 4)在理论分析的基础上，编制了风电齿轮箱载荷处理程序、轴承寿命计算程序及齿轮强度计算程序，实现了载荷处理，轴承扩展寿命计算及齿轮强度计算的程序化。 5)根据大型风电齿轮箱的特点，对一级行星加两级定轴齿轮传动结构的风电齿轮箱进行了分析，建立了相应的优化设计模型，并根据数学模型编制了优化程序，实现了风电齿轮箱各级齿轮传动接触强度接近相等的目标。