齒輪箱是風力發電機組中的重要傳動部件，本文對風電齒輪箱的分類、結構、生產過程、運行特征等進行詳細說明。
定義
風電機組齒輪箱是風力發電設備中的關鍵部件之一，用于將風輪旋轉的動能傳遞給發電機，從而產生電能。它通常由多個齒輪組成，通過精確的傳動比例來提高風輪轉速，并將其轉化為適合發電機工作的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，故也將齒輪箱稱之為增速箱。
因此，增速齒輪箱設計及制造相當關鍵。同時風力發電機組增速齒輪箱由于其使用條件的限制，要求體積小，重量輕，性能優良，運行可靠，故障率低。用量最大的雙饋機型上的齒輪箱大多為行星輪系+平行軸傳動。
齒輪箱的主要功能
風電機組齒輪箱是專門應用在風力發電領域的齒輪箱，主要作用是將風電葉輪的高扭矩、低轉速轉化為風電發電機側的低扭矩和高轉速，以適應發電機的工作需求，并且齒輪箱還會將葉輪側的各種方向的復雜載荷抵消，使傳遞到發電機處的只剩下扭矩。
根據機組的總體布置要求，有時將與風輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用脹緊套裝置或聯軸節連接的結構。為了增加機組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置，配合葉尖制動（定槳距風輪）或變槳距制動裝置共同對機組傳動系統進行聯合制動。
（帶齒輪箱的風電機組結構示意圖）
工作原理
風電機組齒輪箱采用齒輪傳動的方式將風輪的旋轉動能傳遞給發電機。
1、風輪旋轉驅動主軸旋轉；
2、主軸通過第一級齒輪傳動將低速大扭矩的運動轉化為高速小扭矩的運動；
3、高速軸通過第二級齒輪傳動將高速小扭矩的運動轉化為低速大扭矩的運動；
4、最后，低速軸將此運動傳遞給發電機，發電機產生電能。
齒輪箱結構分類
風電齒輪箱最有代表意義，應用范圍也最廣的三種結構如下：
（1）一級行星+兩級平行
此結構由一級行星傳動和兩級平行傳動組成，這種結構的齒輪箱廣泛分布在2MW以下的齒輪箱中，它最大的特點是結構簡單需要鑄造加工的大型零件比較少，一般為三個：扭力臂，主殼體，行星架。此種類型的齒輪箱傳動承載能力較低，行星級齒輪和軸承潤滑條件一般，所用齒輪軸承數量比較少。
（2）兩級行星+一級平行
這種結構的齒輪箱也是三級傳動，它與上面結構不同的是它是兩級平行和一級平行傳動，這種機構相對來說承載能力更強，主要分布在1.5MW-5MW機型，承載能力高得益與其第二級傳動也是行星結構，能夠承受更多的載荷。這種齒輪箱總體結構較長，鑄造所用的大型殼體比較多，一般是三個殼體，兩個行星架；并且齒輪數量較多，含兩個內齒圈，成本較第一種要高出不少；行星級齒輪和軸承的潤滑條件比較一般。
（3）復合行星結構
這種結構的齒輪箱與一級行星加兩級平行結構有些類似，但其行星級傳動的主動輪為內齒圈，并且不存在惰輪。這種結構最大的優點是所有傳動級的齒輪和軸承都能得到良好的潤滑，承載能力進一步加大。這種結構的行星輪不存在兩面受力的情況，行星輪失效的概率大大降低，同時復合行星的內齒圈的處理方式為滲碳淬火，比常規調制處理的內齒圈強度大幅度增加，承載效率也大幅度提高。同時復合行星的內齒圈、行星輪和太陽輪的模數壓力角不必保持一致，對于湊配齒數中心距擁有更高的靈活性。當然，復合行星也有它的缺點，首先是裝配要求高，裝配時需要對齒，其次是殼體鑄造加工也比常規的復雜。
齒輪箱結構介紹
齒輪箱含有以下七類零部件：齒輪/齒輪軸、軸承、鎖緊盤、潤滑冷卻系統、冷卻系統、加熱器、空氣濾清器。
1、齒輪
常見齒輪傳動也分為很多種：圓柱齒輪、錐齒輪、內嚙合齒輪、蝸桿齒輪、斜齒輪、行星齒輪。
行星輪系
行星輪系由一個太陽輪加上三個行星輪套在行星架上，外面再套一個大齒圈組合而成。
由于采用了均載機構，也就是說數個結構相同的行星輪，均勻地分布于中心輪的周圍，從而可使行星輪與轉臂的受力平衡。同時，也使參與嚙合的齒數增多，所以能提高齒輪的承載能力、嚙合平穩性和可靠性。
平行軸系
平行軸系齒輪主要由主動輪帶動從動輪進行傳動。
行星輪系相對于平行軸系的優點有：結構緊湊、體積小、質量小、承載能力大、噪音小等；而缺點是：結構復雜、加工要求高、配裝要求高等。
齒輪失效
齒輪對于材料的選擇和制作工藝也有極其嚴格的要求，不然很容易損壞。下面列出了5種齒輪失效的主要形式：
斷裂：偏載、過載、嚴重沖擊、熱處理；
點蝕：表面裂紋擴張、磨粒、剝落；
膠合：局部升溫和重載、潤滑不夠、油液變質、齒輪精度低；
塑性變形：重載、熱處理；
磨損：金屬微粒、灰塵、潤滑劑不潔。
2、齒輪箱軸承
風力發電機組振動大，對軸承的安裝有嚴格的工業標準規定。振動會傳到軸承滾道內產生磨損毛刺，破壞軸承滾道的潤滑，造成軸承失效。齒輪傳動需要安裝在軸上，而軸承是為軸提供支撐的構件，軸上構件的精準運轉依托于軸承的支撐，軸承滾動體可以減少軸承與軸的摩擦。
3、齒輪箱鎖緊盤
齒輪箱輸入軸端與主軸通過鎖緊盤聯接，輸出軸通過膜片式聯軸器與發電機相聯接，中耳依靠彈性支撐固定，彈性支撐上下各有一個調整螺釘，可以調整齒輪箱的上下位置，彈性支撐兩側各用螺栓與機架相聯接。
4、齒輪箱潤滑冷卻系統
潤滑系統主要是為齒輪箱提供源源不斷的潤滑油，冷卻系統用于降低潤滑油的溫度。
齒輪箱潤滑油的主要功能：
潤滑：齒輪和軸承在轉動過程中它們實際都是非直接接觸，這中間是靠潤滑油建成油膜，使其形成非接觸式的滾動和滑動，這時油起到了潤滑的作用。
冷卻：雖然它們是非接觸的滾動和滑動，但由于加工精度等原因使其轉動都有相對的滾動摩擦和滑動摩擦，這都會產生一定的熱量。如果這些熱量在它們轉動的過程中沒有消除，勢必會越集越多，最后導致高溫燒毀齒輪和軸承。潤滑油可以傳遞熱量，冷卻齒輪箱和軸承的溫度。
清潔：齒輪箱工作過程中會產生一些污染物和雜質，潤滑油可以帶走一些污染物和雜質防止齒輪和軸承的腐蝕。
5、齒輪箱冷卻系統
風機齒輪箱冷卻系統分為風冷和水冷兩種，風冷包括風扇、電機以及相應的連接膠管，是通過風扇換熱降低油溫；水冷是通過冷卻液來冷卻油溫。
6、齒輪箱加熱器
加熱器一般位于齒輪箱的底部，有的機型油泵下面也有一個加熱器。當風機在低溫狀態下啟動時，油池內的潤滑油粘度非常高，潤滑油近乎固體狀態。在這種工況下，齒輪箱的潤滑系統無法進行工作。加熱器的作用就是對齒輪箱油池的潤滑油進行加熱。
7、齒輪箱空氣濾清器
空氣濾清器由濾芯和殼體組成干燥劑，在正常狀態下顏色為藍色，當干燥劑的顏色變成紅色時，需立即更換新的空氣濾清器。
空氣濾清器的作用是清除空氣中的微粒雜質以及水份，防止空氣中的微粒以及水份進入到齒輪箱內部造成齒輪箱失效。而齒輪箱過濾器的作用是過濾油液中的顆粒物，二者有本質的區別。
齒輪箱生產過程
齒輪箱的生產過程與齒輪箱的結構組成息息相關，當前風力發電機中齒輪箱的主要結構是一級行星加兩級平行和兩級行星加一級平行，主要應用于650KW到3MW的機組中，由齒輪、軸承、殼體、潤滑系統和部分雜件等組成。齒輪的加工工藝過程包括:齒輪毛壞加工、齒面加工、熱處理工藝及齒面精加工。
1、齒輪毛壞加工
齒輪的毛坯件主要是鍛件、鑄件，其中鍛件使用最多，如圖1和2所示。
（圖1：齒輪毛壞加工（左） 圖2：齒輪毛壞加工（右））
齒面加工對毛壞件首先進行熱處理，改善其切削加工型，便于切削。然后進行粗加工，按照齒輪設計要求，先將毛壞加工成大致形狀，保留較多余量;再進行半精加工及車、滾、插齒等。
2、齒輪熱處理及齒面精加工
齒輪基本成型之后對齒輪進行熱處理，改善齒輪的力學性能，按照使用要求和所用材料的不同，有調質、滲碳淬火、齒面高頻感應加熱淬火等。最后對齒輪進行精加工，精修基準、精加工齒形。
3、齒輪檢驗
齒輪加工完之后還要對齒輪進行檢驗，常規的檢驗方法是通過齒輪測量儀進行檢驗，主要檢驗其加工精度是否達標，如螺旋角、壓力角的偏差，還有齒廓和齒向的修形是否準確。
4、齒輪裝配
齒輪裝配時要檢驗齒輪嚙合時的載荷是否分布均勻，常規采用的方法是著色檢驗法，齒輪單獨檢驗完成后，進行裝配，并進行齒輪箱的運行實驗，檢查齒輪箱的整體運行情況。主要檢驗齒輪箱有無異響、振動、各潤滑點的油溫是否正常，檢查齒輪是否出現偏載。
齒輪箱運行特征
高負載：風電齒輪箱承受著巨大的負載和沖擊，因此其材料和結構設計必須滿足高強度的要求。
高轉速：風電齒輪箱的轉速較高，因此其齒輪加工精度和動平衡要求必須很高。
復雜環境：風電齒輪箱通常安裝在風機頂部，環境惡劣，因此其防護等級必須很高。
常見故障現象
風電齒輪箱常見的故障現象包括：
1、齒輪磨損：齒輪磨損是齒輪箱最常見的故障，會導致齒輪精度下降、噪聲增大、效率降低等問題。
2、軸承損壞：軸承損壞會導致齒輪箱振動增大、發熱量增加等問題。
3、潤滑失效：潤滑失效會導致齒輪和軸承摩擦增加、磨損加劇等問題。
4、密封失效：密封失效會導致齒輪箱內部污染，加劇齒輪和軸承的磨損。
故障檢查和維修方法
1、齒輪磨損
檢查齒輪的表面是否有磨損痕跡。
測量齒輪的齒厚和齒距。
使用齒輪磨損檢測儀進行檢測。
2、軸承損壞
檢查軸承是否有振動、噪聲等異常現象。
測量軸承的溫升。
使用軸承振動檢測儀進行檢測。
3、潤滑失效
檢查潤滑油的質量和數量。
檢查潤滑系統的油路是否暢通。
使用潤滑油分析儀進行檢測。
4、密封失效
檢查密封件是否有損壞。
檢查齒輪箱內部是否有污染物。
使用密封泄漏檢測儀進行檢測。
發展趨勢
風電機組齒輪箱是風力發電設備中不可或缺的組成部分，起到了傳動和轉換能量的重要作用。隨著風電技術的不斷發展，風電機組齒輪箱也在不斷演進和改進，朝著大型化、輕量化、智能化和環保可持續的方向發展。通過定期維護和故障排除，可確保齒輪箱的正常工作，提高風力發電系統的效率和可靠性。
1、大型化
為適應越來越大的風力發電機組，風電機組齒輪箱正朝著更大尺寸的方向發展，以提高傳動比例和輸出功率。
2、輕量化
為減輕整個風力發電機組的重量，齒輪箱的設計將趨向輕量化，采用高強度輕量材料和先進的制造工藝。
3、智能化
運用物聯網、大數據和人工智能技術，可以對風電機組齒輪箱進行遠程監測、故障預警和優化維護，提高工作效率和可靠性。
4、環保可持續
在齒輪材料的選擇和潤滑系統的設計上，越來越注重環境友好型材料和潤滑油的應用，以降低能源消耗和環境污染。
代表企業
杭齒前進
杭州前進齒輪箱集團股份有限公司是我國專業設計、制造齒輪傳動裝置和粉末冶金制品的大型重點骨干企業，國家高新技術企業。公司是國內較早從事風電齒輪箱研發和制造的企業。經過20多年的發展和技術沉淀，形成了功率范圍從100kW到5.5MW、增速比最大到175的全系列風電增速箱,基于平臺開發的多款齒輪箱能滿足主流機型的選擇。公司大兆瓦級風電齒輪箱采用柔性軸，無外圈錐軸承技術，更適合我國風力發電載荷變化大，載荷變化快的特點，具有均載性好、可靠性高、功率密度大等優點。
產品包括：1MW以下風電齒輪箱、1.5MW系列風電齒輪箱、2MW系列風電齒輪箱、2.5MW系列風電齒輪箱、3MW系列風電齒輪箱、5MW風電齒輪箱、偏航、變槳齒輪箱。
（資料圖：杭州前進3MW系列風電齒輪箱）
長安望江
重慶長安望江工業集團有限公司，是中國兵器裝備集團有限公司所屬規模最大的軍工企業，是國家重點保軍骨干企業。公司由長安工業和望江工業戰略整合而成。公司是集特種產品、智能裝備、齒輪箱、改裝車、汽車/摩托車零部件等多產業為一體的大型軍民協同型集團公司。
風電齒輪箱產品有：WF3000K1、WF2000A4、WF1500A、WF1500B、WF1500J1A、WF1500J2、WF2000、WF2000A1、WF2000J1A、WF3000B1、WF5000B1、WFC1.5。
（資料圖：長安望江WF3000K1）
太原重工
太原重工股份有限公司（簡稱“太原重工”）設立于1998年，前身為太原重型機器廠，始建于1950年，是新中國自行設計建造的第一座重型機械制造企業。公司產品廣泛應用于冶金、礦山、能源、交通、海工、航天、化工、鐵路、造船、環保等行業，已累計為國家重點建設項目提供了2000余種、三萬余臺（套）裝備。
先后研發了1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.6MW、5MW風電增速齒輪箱，并取得GL(德國船級社)和CCS認證，其中1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.6MW增速器已批量生產，大量在風場運行，5MW完成樣機制造已并網運行，6MW、8MW設計研發已完成。
（資料圖：太原重工風電增速器）
重齒
重慶齒輪箱有限責任公司（簡稱“重齒”）是一家以研發和生產高、低速重載齒輪箱為主的大型國有企業，公司隸屬于中國船舶集團有限公司（簡稱“中船船舶”）。
公司是國內最早研制風力發電增速齒輪箱，偏航、變槳齒輪箱的企業。已成功自主研發600KW~7MW各系列風力發電增速箱、100KW~6MW偏航及變槳各系列減速齒輪箱，目前已研制出列入國家科技支撐計劃的“7MW級大功率海上風電機組齒輪箱”。
南高齒
南京高速齒輪制造有限公司（簡稱：南高齒）致力于為全球用戶提供齒輪箱與傳動技術解決方案。公司始于1969年，隸屬于港股上市公司中國高速傳動設備集團有限公司。公司擁有半個多世紀的齒輪研發、制造技術，定位為全球齒輪箱與傳動技術解決方案專家，產品廣泛用于風力發電工業裝備、軌道交通、工業機器人等行業。
依靠創新和零缺陷質量理念，南高齒不斷增加研發投入，為全球市場提供涵蓋1.5MW-20+MW全系列風電傳動產品，同時配套完善的服務網絡，產品可適應低溫、低風速、高海拔、以及海上等各種工況環境。至今，南高齒為客戶提供的108,000余臺高品質風電主齒輪箱和620,000余臺偏航變槳齒輪箱在全球30多個國家穩定運行。
（資料圖：南高齒主齒輪箱）
大連重工
大連華銳重工集團股份有限公司(簡稱“大連重工”)是大連重工裝備集團有限公司的控股上市公司，是國家重機行業的大型重點骨干企業。
大連重工于2004年開始兆瓦級風力發電設備核心部件產品的研制，先后開發出1.5兆瓦至6兆瓦增速機、偏航變槳驅動器、風電球鐵鑄件等15種核心部件，并實現了批量化生產。
風電增速機方面，大連重工作為國內規模較大的兆瓦級風電齒輪箱制造商，開發的10余系列、數十種型號風電齒輪箱，累計供貨超過一萬四千臺，廣泛應用于國內外陸地、海上不同風場，2.X兆瓦，3.X兆瓦，4.X兆瓦等系列機型采用平臺化設計，可以快速滿足顧客定制化需求，性能穩定，可靠性高，產品出口歐盟、韓國、日本、印度等多個國家和地區。
（資料圖：大連重工大型風機齒輪箱）
安維士
南京安維士傳動技術股份有限公司（簡稱：“安維士”）成立于2013年7月9日，安維士具有專業的經營管理團隊和較強的風機傳動鏈技術能力，可為國內外風機傳動鏈（主軸、主齒輪箱）及偏航、變槳齒輪箱提供全生命周期服務。
截至目前，安維士與國內主流風電運營商及風電設備和機組制造商建立了長期合作關系，擁有穩定的客戶資源，在國內第三方齒輪箱維修業務中擁有較高的市場占有率，在中國風電市場內已為超過50家知名風電運營商、2500多個風場、100000多臺次的齒輪箱提供過運維服務和技術支持。
華建天恒
天津華建天恒傳動有限責任公司成立于2010年12月，是一家集研發設計、生產制造及銷售服務于一體的國家高新技術企業。
公司是行星齒輪傳動國家標準牽頭起草單位、中國齒輪協會副會長單位、天津市戰略新興產業領軍企業、服務型制造示范企業。承擔了“高強度大型薄壁內齒圈”“3MW半直驅風電齒輪箱創新研發平臺”“定點潤滑大功率風電增速箱”等多個市級科研項目。
（資料圖：華建天恒 X6）
