齿轮箱是风力发电机组中的重要传动部件，本文对风电齿轮箱的分类、结构、生产过程、运行特征等进行详细说明。
定义
风电机组齿轮箱是风力发电设备中的关键部件之一，用于将风轮旋转的动能传递给发电机，从而产生电能。它通常由多个齿轮组成，通过精确的传动比例来提高风轮转速，并将其转化为适合发电机工作的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
因此，增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。用量最大的双馈机型上的齿轮箱大多为行星轮系+平行轴传动。
齿轮箱的主要功能
风电机组齿轮箱是专门应用在风力发电领域的齿轮箱，主要作用是将风电叶轮的高扭矩、低转速转化为风电发电机侧的低扭矩和高转速，以适应发电机的工作需求，并且齿轮箱还会将叶轮侧的各种方向的复杂载荷抵消，使传递到发电机处的只剩下扭矩。
根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用胀紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
（带齿轮箱的风电机组结构示意图）
工作原理
风电机组齿轮箱采用齿轮传动的方式将风轮的旋转动能传递给发电机。
1、风轮旋转驱动主轴旋转；
2、主轴通过第一级齿轮传动将低速大扭矩的运动转化为高速小扭矩的运动；
3、高速轴通过第二级齿轮传动将高速小扭矩的运动转化为低速大扭矩的运动；
4、最后，低速轴将此运动传递给发电机，发电机产生电能。
齿轮箱结构分类
风电齿轮箱最有代表意义，应用范围也最广的三种结构如下：
（1）一级行星+两级平行
此结构由一级行星传动和两级平行传动组成，这种结构的齿轮箱广泛分布在2MW以下的齿轮箱中，它最大的特点是结构简单需要铸造加工的大型零件比较少，一般为三个：扭力臂，主壳体，行星架。此种类型的齿轮箱传动承载能力较低，行星级齿轮和轴承润滑条件一般，所用齿轮轴承数量比较少。
（2）两级行星+一级平行
这种结构的齿轮箱也是三级传动，它与上面结构不同的是它是两级平行和一级平行传动，这种机构相对来说承载能力更强，主要分布在1.5MW-5MW机型，承载能力高得益与其第二级传动也是行星结构，能够承受更多的载荷。这种齿轮箱总体结构较长，铸造所用的大型壳体比较多，一般是三个壳体，两个行星架；并且齿轮数量较多，含两个内齿圈，成本较第一种要高出不少；行星级齿轮和轴承的润滑条件比较一般。
（3）复合行星结构
这种结构的齿轮箱与一级行星加两级平行结构有些类似，但其行星级传动的主动轮为内齿圈，并且不存在惰轮。这种结构最大的优点是所有传动级的齿轮和轴承都能得到良好的润滑，承载能力进一步加大。这种结构的行星轮不存在两面受力的情况，行星轮失效的概率大大降低，同时复合行星的内齿圈的处理方式为渗碳淬火，比常规调制处理的内齿圈强度大幅度增加，承载效率也大幅度提高。同时复合行星的内齿圈、行星轮和太阳轮的模数压力角不必保持一致，对于凑配齿数中心距拥有更高的灵活性。当然，复合行星也有它的缺点，首先是装配要求高，装配时需要对齿，其次是壳体铸造加工也比常规的复杂。
齿轮箱结构介绍
齿轮箱含有以下七类零部件：齿轮/齿轮轴、轴承、锁紧盘、润滑冷却系统、冷却系统、加热器、空气滤清器。
1、齿轮
常见齿轮传动也分为很多种：圆柱齿轮、锥齿轮、内啮合齿轮、蜗杆齿轮、斜齿轮、行星齿轮。
行星轮系
行星轮系由一个太阳轮加上三个行星轮套在行星架上，外面再套一个大齿圈组合而成。
由于采用了均载机构，也就是说数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的受力平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，所以能提高齿轮的承载能力、啮合平稳性和可靠性。
平行轴系
平行轴系齿轮主要由主动轮带动从动轮进行传动。
行星轮系相对于平行轴系的优点有：结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、噪音小等；而缺点是：结构复杂、加工要求高、配装要求高等。
齿轮失效
齿轮对于材料的选择和制作工艺也有极其严格的要求，不然很容易损坏。下面列出了5种齿轮失效的主要形式：
断裂：偏载、过载、严重冲击、热处理；
点蚀：表面裂纹扩张、磨粒、剥落；
胶合：局部升温和重载、润滑不够、油液变质、齿轮精度低；
塑性变形：重载、热处理；
磨损：金属微粒、灰尘、润滑剂不洁。
2、齿轮箱轴承
风力发电机组振动大，对轴承的安装有严格的工业标准规定。振动会传到轴承滚道内产生磨损毛刺，破坏轴承滚道的润滑，造成轴承失效。齿轮传动需要安装在轴上，而轴承是为轴提供支撑的构件，轴上构件的精准运转依托于轴承的支撑，轴承滚动体可以减少轴承与轴的摩擦。
3、齿轮箱锁紧盘
齿轮箱输入轴端与主轴通过锁紧盘联接，输出轴通过膜片式联轴器与发电机相联接，中耳依靠弹性支撑固定，弹性支撑上下各有一个调整螺钉，可以调整齿轮箱的上下位置，弹性支撑两侧各用螺栓与机架相联接。
4、齿轮箱润滑冷却系统
润滑系统主要是为齿轮箱提供源源不断的润滑油，冷却系统用于降低润滑油的温度。
齿轮箱润滑油的主要功能：
润滑：齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。
冷却：虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。润滑油可以传递热量，冷却齿轮箱和轴承的温度。
清洁：齿轮箱工作过程中会产生一些污染物和杂质，润滑油可以带走一些污染物和杂质防止齿轮和轴承的腐蚀。
5、齿轮箱冷却系统
风机齿轮箱冷却系统分为风冷和水冷两种，风冷包括风扇、电机以及相应的连接胶管，是通过风扇换热降低油温；水冷是通过冷却液来冷却油温。
6、齿轮箱加热器
加热器一般位于齿轮箱的底部，有的机型油泵下面也有一个加热器。当风机在低温状态下启动时，油池内的润滑油粘度非常高，润滑油近乎固体状态。在这种工况下，齿轮箱的润滑系统无法进行工作。加热器的作用就是对齿轮箱油池的润滑油进行加热。
7、齿轮箱空气滤清器
空气滤清器由滤芯和壳体组成干燥剂，在正常状态下颜色为蓝色，当干燥剂的颜色变成红色时，需立即更换新的空气滤清器。
空气滤清器的作用是清除空气中的微粒杂质以及水份，防止空气中的微粒以及水份进入到齿轮箱内部造成齿轮箱失效。而齿轮箱过滤器的作用是过滤油液中的颗粒物，二者有本质的区别。
齿轮箱生产过程
齿轮箱的生产过程与齿轮箱的结构组成息息相关，当前风力发电机中齿轮箱的主要结构是一级行星加两级平行和两级行星加一级平行，主要应用于650KW到3MW的机组中，由齿轮、轴承、壳体、润滑系统和部分杂件等组成。齿轮的加工工艺过程包括:齿轮毛坏加工、齿面加工、热处理工艺及齿面精加工。
1、齿轮毛坏加工
齿轮的毛坯件主要是锻件、铸件，其中锻件使用最多，如图1和2所示。
（图1：齿轮毛坏加工（左） 图2：齿轮毛坏加工（右））
齿面加工对毛坏件首先进行热处理，改善其切削加工型，便于切削。然后进行粗加工，按照齿轮设计要求，先将毛坏加工成大致形状，保留较多余量;再进行半精加工及车、滚、插齿等。
2、齿轮热处理及齿面精加工
齿轮基本成型之后对齿轮进行热处理，改善齿轮的力学性能，按照使用要求和所用材料的不同，有调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等。最后对齿轮进行精加工，精修基准、精加工齿形。
3、齿轮检验
齿轮加工完之后还要对齿轮进行检验，常规的检验方法是通过齿轮测量仪进行检验，主要检验其加工精度是否达标，如螺旋角、压力角的偏差，还有齿廓和齿向的修形是否准确。
4、齿轮装配
齿轮装配时要检验齿轮啮合时的载荷是否分布均匀，常规采用的方法是着色检验法，齿轮单独检验完成后，进行装配，并进行齿轮箱的运行实验，检查齿轮箱的整体运行情况。主要检验齿轮箱有无异响、振动、各润滑点的油温是否正常，检查齿轮是否出现偏载。
齿轮箱运行特征
高负载：风电齿轮箱承受着巨大的负载和冲击，因此其材料和结构设计必须满足高强度的要求。
高转速：风电齿轮箱的转速较高，因此其齿轮加工精度和动平衡要求必须很高。
复杂环境：风电齿轮箱通常安装在风机顶部，环境恶劣，因此其防护等级必须很高。
常见故障现象
风电齿轮箱常见的故障现象包括：
1、齿轮磨损：齿轮磨损是齿轮箱最常见的故障，会导致齿轮精度下降、噪声增大、效率降低等问题。
2、轴承损坏：轴承损坏会导致齿轮箱振动增大、发热量增加等问题。
3、润滑失效：润滑失效会导致齿轮和轴承摩擦增加、磨损加剧等问题。
4、密封失效：密封失效会导致齿轮箱内部污染，加剧齿轮和轴承的磨损。
故障检查和维修方法
1、齿轮磨损
检查齿轮的表面是否有磨损痕迹。
测量齿轮的齿厚和齿距。
使用齿轮磨损检测仪进行检测。
2、轴承损坏
检查轴承是否有振动、噪声等异常现象。
测量轴承的温升。
使用轴承振动检测仪进行检测。
3、润滑失效
检查润滑油的质量和数量。
检查润滑系统的油路是否畅通。
使用润滑油分析仪进行检测。
4、密封失效
检查密封件是否有损坏。
检查齿轮箱内部是否有污染物。
使用密封泄漏检测仪进行检测。
发展趋势
风电机组齿轮箱是风力发电设备中不可或缺的组成部分，起到了传动和转换能量的重要作用。随着风电技术的不断发展，风电机组齿轮箱也在不断演进和改进，朝着大型化、轻量化、智能化和环保可持续的方向发展。通过定期维护和故障排除，可确保齿轮箱的正常工作，提高风力发电系统的效率和可靠性。
1、大型化
为适应越来越大的风力发电机组，风电机组齿轮箱正朝着更大尺寸的方向发展，以提高传动比例和输出功率。
2、轻量化
为减轻整个风力发电机组的重量，齿轮箱的设计将趋向轻量化，采用高强度轻量材料和先进的制造工艺。
3、智能化
运用物联网、大数据和人工智能技术，可以对风电机组齿轮箱进行远程监测、故障预警和优化维护，提高工作效率和可靠性。
4、环保可持续
在齿轮材料的选择和润滑系统的设计上，越来越注重环境友好型材料和润滑油的应用，以降低能源消耗和环境污染。
代表企业
杭齿前进
杭州前进齿轮箱集团股份有限公司是我国专业设计、制造齿轮传动装置和粉末冶金制品的大型重点骨干企业，国家高新技术企业。公司是国内较早从事风电齿轮箱研发和制造的企业。经过20多年的发展和技术沉淀，形成了功率范围从100kW到5.5MW、增速比最大到175的全系列风电增速箱,基于平台开发的多款齿轮箱能满足主流机型的选择。公司大兆瓦级风电齿轮箱采用柔性轴，无外圈锥轴承技术，更适合我国风力发电载荷变化大，载荷变化快的特点，具有均载性好、可靠性高、功率密度大等优点。
产品包括：1MW以下风电齿轮箱、1.5MW系列风电齿轮箱、2MW系列风电齿轮箱、2.5MW系列风电齿轮箱、3MW系列风电齿轮箱、5MW风电齿轮箱、偏航、变桨齿轮箱。
（资料图：杭州前进3MW系列风电齿轮箱）
长安望江
重庆长安望江工业集团有限公司，是中国兵器装备集团有限公司所属规模最大的军工企业，是国家重点保军骨干企业。公司由长安工业和望江工业战略整合而成。公司是集特种产品、智能装备、齿轮箱、改装车、汽车/摩托车零部件等多产业为一体的大型军民协同型集团公司。
风电齿轮箱产品有：WF3000K1、WF2000A4、WF1500A、WF1500B、WF1500J1A、WF1500J2、WF2000、WF2000A1、WF2000J1A、WF3000B1、WF5000B1、WFC1.5。
（资料图：长安望江WF3000K1）
太原重工
太原重工股份有限公司（简称“太原重工”）设立于1998年，前身为太原重型机器厂，始建于1950年，是新中国自行设计建造的第一座重型机械制造企业。公司产品广泛应用于冶金、矿山、能源、交通、海工、航天、化工、铁路、造船、环保等行业，已累计为国家重点建设项目提供了2000余种、三万余台（套）装备。
先后研发了1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.6MW、5MW风电增速齿轮箱，并取得GL(德国船级社)和CCS认证，其中1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.6MW增速器已批量生产，大量在风场运行，5MW完成样机制造已并网运行，6MW、8MW设计研发已完成。
（资料图：太原重工风电增速器）
重齿
重庆齿轮箱有限责任公司（简称“重齿”）是一家以研发和生产高、低速重载齿轮箱为主的大型国有企业，公司隶属于中国船舶集团有限公司（简称“中船船舶”）。
公司是国内最早研制风力发电增速齿轮箱，偏航、变桨齿轮箱的企业。已成功自主研发600KW~7MW各系列风力发电增速箱、100KW~6MW偏航及变桨各系列减速齿轮箱，目前已研制出列入国家科技支撑计划的“7MW级大功率海上风电机组齿轮箱”。
南高齿
南京高速齿轮制造有限公司（简称：南高齿）致力于为全球用户提供齿轮箱与传动技术解决方案。公司始于1969年，隶属于港股上市公司中国高速传动设备集团有限公司。公司拥有半个多世纪的齿轮研发、制造技术，定位为全球齿轮箱与传动技术解决方案专家，产品广泛用于风力发电工业装备、轨道交通、工业机器人等行业。
依靠创新和零缺陷质量理念，南高齿不断增加研发投入，为全球市场提供涵盖1.5MW-20+MW全系列风电传动产品，同时配套完善的服务网络，产品可适应低温、低风速、高海拔、以及海上等各种工况环境。至今，南高齿为客户提供的108,000余台高品质风电主齿轮箱和620,000余台偏航变桨齿轮箱在全球30多个国家稳定运行。
（资料图：南高齿主齿轮箱）
大连重工
大连华锐重工集团股份有限公司(简称“大连重工”)是大连重工装备集团有限公司的控股上市公司，是国家重机行业的大型重点骨干企业。
大连重工于2004年开始兆瓦级风力发电设备核心部件产品的研制，先后开发出1.5兆瓦至6兆瓦增速机、偏航变桨驱动器、风电球铁铸件等15种核心部件，并实现了批量化生产。
风电增速机方面，大连重工作为国内规模较大的兆瓦级风电齿轮箱制造商，开发的10余系列、数十种型号风电齿轮箱，累计供货超过一万四千台，广泛应用于国内外陆地、海上不同风场，2.X兆瓦，3.X兆瓦，4.X兆瓦等系列机型采用平台化设计，可以快速满足顾客定制化需求，性能稳定，可靠性高，产品出口欧盟、韩国、日本、印度等多个国家和地区。
（资料图：大连重工大型风机齿轮箱）
安维士
南京安维士传动技术股份有限公司（简称：“安维士”）成立于2013年7月9日，安维士具有专业的经营管理团队和较强的风机传动链技术能力，可为国内外风机传动链（主轴、主齿轮箱）及偏航、变桨齿轮箱提供全生命周期服务。
截至目前，安维士与国内主流风电运营商及风电设备和机组制造商建立了长期合作关系，拥有稳定的客户资源，在国内第三方齿轮箱维修业务中拥有较高的市场占有率，在中国风电市场内已为超过50家知名风电运营商、2500多个风场、100000多台次的齿轮箱提供过运维服务和技术支持。
华建天恒
天津华建天恒传动有限责任公司成立于2010年12月，是一家集研发设计、生产制造及销售服务于一体的国家高新技术企业。
公司是行星齿轮传动国家标准牵头起草单位、中国齿轮协会副会长单位、天津市战略新兴产业领军企业、服务型制造示范企业。承担了“高强度大型薄壁内齿圈”“3MW半直驱风电齿轮箱创新研发平台”“定点润滑大功率风电增速箱”等多个市级科研项目。
（资料图：华建天恒 X6）
