风电齿轮箱作为风力发电机组重要的增速设备，负责把叶轮在风力作用下获得的动力传递给发电机并使其得到相应的工作转速；为顺应市场发展的需求，兆瓦级大功率风电齿轮箱，逐步成为市场主流；齿轮箱安装在塔顶的狭小机舱内，常年经受无规律的交变载荷的冲击，一旦出现故障，修复非常困难；通常要求齿轮箱的设计寿命为20年，对其可靠性要求极为苛刻；受制于齿轮箱总体设计、轮齿制造和加工工艺、整箱装配工艺以及测试技术等诸多问题的影响，风电齿轮箱在机组运行过程中会出现齿轮损坏、轴承磨损以及轴断裂等各种类型的失效问题。
近年来人们对振动问题的探讨从未停止，并意识到振动反馈出的设备状态信息的经济价值。振动不仅是风电行业的问题，对整个机械行业来说都是普遍存在普遍头疼的问题，大多数情况下它往往以破坏者的身份出现，影响着设备的使用精度和使用寿命，还可能引起重大的安全事故，造成不可估量的损伤。风电齿轮箱安装在狭小的机舱内，常年受无规律交变载荷的冲击，振动问题尤其突出，对振动的合理监测和分析对我们预防事故的发生，提高设备使用的安全性具有重要作用。
齿轮箱振动机理分析
齿轮箱的振动主要由内部啮合齿轮副受载变形引起的，齿轮副正常情况下的受载及其因为装配、质量不平衡、齿轮故障等因素导致的啮合问题都体现为齿轮副的受载变形，最终通过传动轴系传递给箱体。
表1风电齿轮箱部件故障率统计
上表中列出的故障形式基本涵盖了风电齿轮箱全部的故障部件及故障形式，其中齿轮的故障占据了齿轮箱故障比例的60%。研究齿轮的振动机理对于解决风电齿轮箱振动问题具有重要意义。
齿轮副力学模型分析：
图1齿轮副力学模型
齿轮啮合过程中有刚度的变化，有弹性变形，有阻尼的作用，根据齿轮副的啮合机理可以得到对应的齿轮副力学模型，该力学模型可简化成如下振动方程：
每一个参量定义如下：
齿轮振动的激励源有两个部分组成：正常的啮合激励，无故障状态下的向量振动，由系统的内部激励和外部激励产生，齿轮的故障振动由它引起，其特征取决于齿轮的故障状况，简而言之对齿轮振动问题的研究就是对激励源 的识别和定位。
齿轮参数对振动的影响：
风电齿轮箱的齿轮件，简单点可分为直齿和斜齿两大类，不论是直齿或是斜齿的啮合和振动情况都受其对应的齿轮参数影响。图2和图4分别描述了直齿轮和斜齿轮啮合刚度的变化特性，可见斜齿轮刚度啮合更加平滑，对应的振动噪声必然更小，图2和图3描述了啮合齿轮数的变化对应的刚度变化，可知在不同啮合瞬间，参与啮合的齿数是不断变化的，单个齿啮合刚度小，2个齿啮合刚度大，我们在齿轮参数设计的时候要尽可能的保证参与啮合的齿数更多，这对应一个重要的参量即重合度，重合度越大，啮合刚度越大，振动越小。
图2直齿轮刚度变化
图3直齿轮啮合齿数变化
图4斜齿轮刚度变化
虽然斜齿轮的啮合更平滑，但是选用斜齿轮设计的机型必须考虑轴向载荷对齿轮啮合的影响，对于轴系的轴向定位，及轴承选型需要区别于直齿轮设计的机型。
结论
研究风电齿轮箱振动问题，首先要找到振动激励源，虽然齿轮啮合作为齿轮箱内部最大的激励源，但是我们也不能忽视风机系统其他部件和对风电齿轮箱振动的影响，只有找到了振动之源才能解决齿轮箱振动问题。
作者 吴明明 高级工程师
南京安维士传动技术股份有限公司
