【摘 要】近年來(lái)齒輪箱的國(guó)產(chǎn)化工作取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但是在實(shí)際的使用中也暴露了一定的問(wèn)題，例如增速箱的可靠性較差以及齒輪箱壽命短等，致使電廠與制造商都蒙受了重大損失。文章從我國(guó)風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)的現(xiàn)狀入手，重點(diǎn)的論述了齒輪的常用材料及其性能、齒輪箱的生產(chǎn)工藝技術(shù)等方面。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；齒輪箱；國(guó)產(chǎn)化；材料；工藝

由于化石燃料的日益短缺以及人們的環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，而風(fēng)能兼具清潔型與可持續(xù)性的特點(diǎn)，因此在近年來(lái)得到了較為迅速的發(fā)展。我國(guó)從八十年代開始實(shí)施大功率的風(fēng)力發(fā)電，但主要的設(shè)備靠歐美等國(guó)進(jìn)口。

1.我國(guó)風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)的現(xiàn)狀

目前我國(guó)已經(jīng)基本掌握了兆瓦以下的風(fēng)力發(fā)電增速箱的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，批量生產(chǎn)的主力機(jī)型，例如600kw—2000kw，已經(jīng)在多家公司投產(chǎn)。但即便如此，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱仍然是國(guó)產(chǎn)化中較為薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)于市場(chǎng)的巨大需求量還是力不從心。

我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的電機(jī)組技術(shù)只是發(fā)電機(jī)組的集成技術(shù)，其中并不涉及齒輪箱的設(shè)計(jì)制造。因此國(guó)內(nèi)的齒輪箱的實(shí)際制造基本上是參照引進(jìn)技術(shù)的規(guī)范進(jìn)行的，通過(guò)類比的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此談不上完全的掌握先進(jìn)的制造技術(shù)。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的相關(guān)研究起步較晚，由于相關(guān)人才的缺乏，再加上基礎(chǔ)薄弱，極大的限制了此領(lǐng)域的進(jìn)展。鄭州機(jī)械研究所近幾年推出了CAE分析系統(tǒng)，可以輕松的實(shí)現(xiàn)對(duì)于箱體、輸入軸以及行星架等重要零部件的優(yōu)化與有限元分析。

2.齒輪的常用材料及其性能

風(fēng)力發(fā)電的增速齒輪箱中所使用的齒輪，其材質(zhì)一般為低碳的合金鋼，重齒公司經(jīng)常使用17CrNiMo6或者20CrMnMo等原材，而內(nèi)圈使用42CrMoA材料。其力學(xué)性能的分析如下表1：

齒輪的材料為滲碳鋼，未經(jīng)滲碳的鋼材進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)只能測(cè)定零件的心部性能，而滲碳鋼的性能除了與心部強(qiáng)度有關(guān)外，海域滲碳層的碳含量以及滲碳的深度有關(guān)。

2.1抗彎強(qiáng)度

通過(guò)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行滲碳鋼靜強(qiáng)度的測(cè)定，靜強(qiáng)度與心部強(qiáng)度、碳含量、鋼材的化學(xué)成分等有直接的關(guān)系。一般的，滲碳層的的深度越大，彎曲強(qiáng)度隨之增加；心部強(qiáng)度越大，彎曲強(qiáng)度增加；碳量增加，彎曲強(qiáng)度增加。

2.2疲勞強(qiáng)度

齒輪在變載荷的作用下極易發(fā)生疲勞損壞現(xiàn)象，影響疲勞損壞的因素主要有：

（1）滲碳層內(nèi)的氧化物。如果滲碳鋼內(nèi)存在著一定的錳、硅、鈦等合金元素，在吸熱性的滲碳?xì)夥罩芯蜁?huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氧化物，而這些氧化物的存在作為高溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物的核心可以降低表面的硬度。

（2）滲碳層內(nèi)的碳化物。滲碳量的多少、形狀及粒徑的大小對(duì)于滲碳鋼的彎曲疲勞性以及基礎(chǔ)疲勞都有著明顯的影響。特別是網(wǎng)狀碳化物的存在會(huì)直接的導(dǎo)致彎曲疲勞性能降低。

（3）滲碳層內(nèi)殘余的奧氏體。由于殘余奧氏體的強(qiáng)度低，它的存在不僅降低了滲碳鋼的強(qiáng)度，還降低了有利于疲勞性能的殘余應(yīng)壓力，為此可以通過(guò)噴丸或者滾壓來(lái)提高疲勞強(qiáng)度。此外心部強(qiáng)度也是影響疲勞損壞的重要因素。

2.3材料的選擇

為了提高齒輪的性能，可以選用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼，其淬硬性、機(jī)械性能、硬度、碳勢(shì)層的深度分布等都體現(xiàn)了優(yōu)良的性能。

3.齒輪箱的生產(chǎn)工藝技術(shù)

3.1齒輪

齒輪的設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到減速傳動(dòng)與增速傳動(dòng)的區(qū)別，在選擇變位系數(shù)時(shí)要遵循降低滑差的原則，根據(jù)載荷的實(shí)際情況設(shè)計(jì)齒向與齒廓；同時(shí)內(nèi)齒圈輪緣的厚度要大于模數(shù)的3倍，外齒輪使用滲碳淬火配合磨齒工藝，熱處理的等級(jí)要不低于MQ，齒輪的精度要在5級(jí)以上。

齒輪的疲勞強(qiáng)度要參照用戶提供的載荷譜，但是由于此譜難以獲得，為此還要依據(jù)額定功率與使用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但是由于風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的載荷變化很復(fù)雜，并且不是連年的工作，因此其計(jì)算的精度要考慮好多的因素。

3.2軸承

由于風(fēng)力發(fā)電工作環(huán)境的特殊性以及載荷復(fù)雜性，軸承成為了齒輪箱中較為薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電的故障中有一半是因軸承問(wèn)題引發(fā)的。為此要在齒輪箱的設(shè)計(jì)及運(yùn)行中對(duì)軸承的類型、潤(rùn)滑油的清潔度以及潤(rùn)滑方式、壽命計(jì)算給予重視。

4.存在問(wèn)題及展望

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近幾年已經(jīng)在這一方向取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，不僅掌握了兆瓦級(jí)機(jī)組的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，還實(shí)現(xiàn)了600kw-2000kw風(fēng)力發(fā)電的增速箱的批量生產(chǎn)。但是制約這一產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)前進(jìn)的問(wèn)題仍然存在，主要表現(xiàn)在：

（1）國(guó)內(nèi)缺乏基礎(chǔ)性的研究數(shù)據(jù)，對(duì)于引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)的解析能力及應(yīng)用還有不完全之處。

（2）人才的缺乏。主要是缺少即掌握風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，又熟悉低速重載齒輪箱的設(shè)計(jì)制造的人員，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也處于缺乏狀態(tài)。

（3）由于對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電增速箱的設(shè)計(jì)制造的技術(shù)掌握的不全面，致使許多的產(chǎn)品以仿制為主，極大的限制了產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性。其次是掌握同等水平的設(shè)計(jì)制造的企業(yè)也很少，致使產(chǎn)品無(wú)論在質(zhì)量還是數(shù)量上都不能滿足實(shí)際的需求。

（4）相應(yīng)的測(cè)試手段以及大型的實(shí)驗(yàn)裝置不足。

（5）各行業(yè)之間缺乏有效的溝通，使得信息得不到共享，限制了各自的發(fā)揮，阻礙了共同發(fā)展與有效機(jī)制的建立。

（6）國(guó)產(chǎn)的產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格差距較大，較低的市場(chǎng)價(jià)位不僅增加了制造商的風(fēng)險(xiǎn)成本，同時(shí)也不利于產(chǎn)品質(zhì)量、行業(yè)發(fā)展以及企業(yè)研發(fā)資金的供給。

5.結(jié)束語(yǔ)

由于我國(guó)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的設(shè)計(jì)制造還欠缺系統(tǒng)性的深入研究，關(guān)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)還沒(méi)有完善，相關(guān)的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和可靠性較低，這些原因?qū)е挛覈?guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的限制。但是隨著近幾年來(lái)材料、科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電增速箱的設(shè)計(jì)和制造上都有了較大的進(jìn)展，相信在不久的將來(lái)會(huì)更加的成熟。

參考文獻(xiàn)

[1]CB/ T10095.1 - 2001漸開線圓柱齒輪精度，第一部分:輪齒同側(cè)齒面偏差的定義和允許值.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.