风力发电机组齿轮箱概述
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。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。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，其间利用涨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(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。
不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。
如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。
设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。
一、设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T标准计算确定。当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数KA＝1。当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
二、设计要求
风力发电机组增速箱的设计参数，除另有规定外，常常采用优化设计的方法，即利用计算机的分析计算，在满足各种限制条件下求得最优设计方案。
(一)效率
齿轮箱的.效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
(二)噪声级
风力发电增速箱的噪声标准为85dB(A)左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
1.适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
2.提高轴和轴承的刚度；
3.合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振；
4.安装时采取必要的减振措施，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T规定的C级之内。
(三)可靠性
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。
风电齿轮箱的失效分析
高可靠性设计是其设计制造过程中的主要考虑因素。不同类型的风电齿轮箱采用不同的结构形式，但最终目的是实现增速传动功能，使桨叶输入的低速的机械能输出为高速的机械能来带动发电机发电，最终实现机械能转变电能的目的。齿轮箱中的各个齿轮，属于重载齿轮，所组成的零部件主要有齿轮及轴承等零部件构成，相对并不复杂，但由于密封于箱体内部，在产生故障时，相互间会迅速产生次生灾害，因此首次失效零件的失效信息往往容易被掩盖或者彻底破坏，致使首断件鉴别与判断产生困难，甚至出现无法给出准确原因的状况。该种情况下，首先失效件的判断所考虑的要素应按系统性分析来推理，并通过同类型多次失效分析进行综合分析找到真正原因。
一、齿轮箱的结构要素
首先齿轮箱中主要零部件为相互啮合的齿轮及实现平稳转动的轴承，无论是齿轮间的啮合还是轴承内部的滚珠与滚道间的接触受力状况均为赫兹接触，理论上为点接触或者线接触，实际上是弹性的、非均匀的面接触，零部件间相互运动时要求几乎无相对滑动，同时只发生弹性变形。当齿轮轮齿表面或者轴承零部件出现塑性变形及严重的磨损时说明已经脱离其正常的受力环境了。
增速齿轮箱，一定含有齿轮及轴承，除此以外就是各种固定及辅助零件。齿轮包含行星轮、太阳轮及内齿圈等。其中最外侧的内齿圈相对于变速箱而言是不动的，而行星轮既有公转又有自转，中心的太阳轮只有自转，但是浮于多个行星轮中间，本身的直线度以及各齿间中心轴线的平行度在运行过程中是在一定范围内发生变动的，这造就了各个零部件工作运行的力学环境，因此发生失效时，首先考虑各个零部件系统结构及其受力环境分析。
二、齿轮箱失效主要的几种形式
失效箱发生故障，往往需要进行系统分析，且具体问题具体分析，排除次生损伤，依据首要失效件失效特征，判断失效成因，依据成因，齿轮箱失效主要分为以下几种类型失效：
1、磨损
正常磨损是非常小的，因为齿轮啮合时的齿面接触为为渐开线接触，几乎不发生相对滑动，并且因润滑油的作用，精度较高的齿轮正常磨损非常微小。除非润滑油发生严重的长时间的失去作用，会导致啮合齿轮及轴承的干摩擦，该类型一般难于看到，主要是管理问题。异常磨损则属于技术范畴，因卡阻导致的磨损大量增加，即滑动代滚动行为出现，如润滑油发现快速发黑，但滑油油质分析未发现严重变性，只是发生铁屑增加时，应该该考虑异常卡阻问题主要在轴承上，齿轮上则较少出现，出现异常磨损往往与油膜无法有效建立相关，磨屑增多及滑油粘度异常也有关联关系，另外是滑油变性，或水分等腐蚀齿轮的成分增大时，也会出现齿轮磨损增大。
2、疲劳剥蚀
轴承滚道剥蚀。现象麻坑，滑油发黑。成片的滚道脱落，产生原因主要是过载，滚道细小异物导致的支撑油膜破坏，形成点状局部严重过载，往往易形成的疲劳点蚀行为（热烧伤引起的剥蚀）；另外零部件热处理不当，部分综合性能较差时也会发生疲劳点蚀行为。
行星轮、太阳轮及内齿圈的疲劳剥蚀。现象为齿面出现大量麻坑，滑油出现大量铁屑。这种失效方式往往与啮合间隙发生异常，滑油变性，啮合间隙微细金属屑较多，局部啮合应力高过轮齿承受力（轻微过载），齿轮热处理不当等因素有关。
3、断齿
齿轮啮合发生断齿概率较低，发生局部崩齿现象稍多，极少出现齐根剪断所有齿的案例。这种情况主要不是设计问题，往往与制造相关，如是设计问题，根本无法通过出厂试验。
齿轮秃齿（现象为齐根断，断面发生严重塑形变形），主要是轮齿心部偏软，硬度不足造成的，当安全系数较高时，即使心部偏软也较难出现，有时以局部疲劳断齿形式展现，但齿轮抗瞬时大应力冲击能力显著降低，会发生轮齿塑形变形累积导致最终秃齿。
齿轮局部崩齿，主要可能的原因是心部过脆，抗冲击性能差，啮合轮齿间轴的直线度降低导致偏斜引起的轮齿局部啮合应力过大，形成局部疲劳断齿。另一个就是渗碳淬火导致的齿面氢致裂纹，这些裂纹有可能导致断齿发生。
风电机组齿轮箱中速轴小齿轮的疲劳裂纹萌生于齿面剥落坑的底部，断口上瞬断区面积远小于疲劳断口面积，轮齿断裂性质为高周疲劳断裂。齿面在相互啮合的过程中既相互滚动又发生微小的相对滑动，齿面上的麻点和蚀坑应归因于接触疲劳。齿轮一侧齿面上接触疲劳较另一侧更为严重。除了齿面硬度略低于标准值以外，其它指标均合格，说明材质并不是导致接触疲劳的主要原因。齿面接触疲劳的主要原因应归于过高的载荷。
4、轴承卡阻
装配游隙小及细小异物导致轴承短时卡阻，滑油补充不足，轴承的运行温度显著升高，发生轴承过热损伤等异常。缺油可导致的轴承的热损伤和塑性变形，反应在齿轮箱故障现象上为，齿轮箱运转噪声增大。一般这种情况下，在最后快速失效后期会产生严重的烧伤痕迹，导致失效典型信息可能无法找到。因此，出现噪声增大时应及时停机检查机件损伤状况，判断准确原因和评估损伤程度并对其环境进行清洁。
目前市场上风电齿轮箱主流结构为双馈型齿轮箱，为一级行星级加两级平行级结构或者两级行星级加一级平行级结构。行星轮轴承作为行星轮系中最关键零件之一，其可靠性决定了整个齿轮箱的可靠性。
5、齿面咬合
齿轮箱内的齿轮发生靠近齿尖部（多存在节圆上侧位置，）为啮合时，轮齿啮合面上部发生大量的掉片，划伤，应该考虑加工精度问题、装配形成的啮合间隙问题，以及零件变形因素，通过技术文件找出加工安装资料，辅以测量结果综合判断其真正原因。当出现局部零件变形引起的齿面咬合现象时，可通过齿面损伤的对称性及分布规律性来推理原因，另外齿面硬度是否足够，大型齿轮是否存在软点或软区（铸坯就存在锭型偏析问题，质量检验可能检验不到）。
6、行星轮开裂
行星轮发生开裂现象主要是内孔疲劳问题，渗碳齿轮发生轴向开裂往往与疲劳相关，疲劳一般不发生于硬度高的位置，只发生硬度较软的地方，因此，与轴承外圈配合的齿轮内孔往往发生疲劳破坏的源头。疲劳往往与零件整体刚度不足有关，过薄的轮缘壁厚导致支撑力不够，外来交变挤压力峰值过大时，其发生弹性变形尺度较大，轴承游隙瞬时变小，导致瞬时卡阻，使得齿轮内孔与轴承外圈发生短时大位移的滑动摩擦，相互间形成积屑瘤，这一积屑瘤导致该微区齿轮内孔的切向拉应力很大，形成应力集中点，一旦在其犁沟底部等轴向微裂纹发生疲劳开裂启动，则在应力集中作用及正常交变力作用下产生裂纹扩展，最终导致齿轮的疲劳断裂。
7.箱体高强螺栓断裂失效
除了螺栓自身材料性能不达标以外，螺栓的选型、螺纹孔的加工质量、螺栓的装配工艺也是造成螺栓断裂的重要原因。
8.花键失效分析
渐开线花键有自动定心作用，各齿受力均匀，强度高，寿命长，加工工艺与齿轮相同，易获得较高精度和互换性，因此被广泛应用于风电、煤矿等重载行业。风电齿轮箱的行星机构承担着动力传递及增速功能，行星机构中太阳轮一端为渐开线圆柱齿轮与多个行星轮啮合，另一端为渐开线外花键与中间轴的内花键啮合。花键连接一旦损坏，会使动力无法传递，风电齿轮箱功能失效，将导致风机停机。兆瓦级风电齿轮箱一般都处于80m以上的高空，更换太阳轮轴或者中间轴一般需要更换整个齿轮箱，更换周期长，吊装成本高昂。因此，分析花键失效现象，找到花键失效原因，并研究如何提高花键连接的寿命，对风电齿轮箱乃至整个风力发电机传动系统来说都是非常重要的。目前风电齿轮箱花键90%的失效现象是因内外花键齿被磨掉而导致传动失效。随着运行时间的逐渐增加，花键齿会出现从轻微磨损一直到花键齿几乎被磨光的情况。
造成失效的几个重点要素：齿轮作用功能、受力方式特点，系统正常受力及异常受力状况分析；选材及零部件热处理；运行管理。
一、外形结构与受力分析
斜齿与直齿各有特点，斜齿首先啮合冲击相对较小，运行受力相对均匀平稳，啮合噪声相对较小，但是该结构会产生周向分切力需要通过止推轴承等部件来抵消增加了结构复杂性；而直齿啮合过程中噪声大，与斜齿相比，在相同啮合间隙下，其齿间啮合存在瞬时接触冲击较大，因此，噪声较高，但几无周向分力。各有其优缺点，可见二者并无太大的高下之别。在失效时应该考虑齿轮本身及周围环境对其作用力状况，周围环境损伤痕迹等。
对高频次往复交变受力零件就一定存在疲劳问题，齿轮箱设计主要考虑齿轮轮齿的抗接触疲劳因素，因此，接触疲劳往往是设计师们考虑的重点方向。但是齿轮轮齿齿面接触疲劳，有时还与冷热加工精度有关，外形加工可通过多种手段检验，而内在热处理质量则只能通过齿形样、首检、抽检等发现问题，相对难度较大些，易出现漏检问题。当齿面渗碳形成的沿晶分布的角块状碳化物时，因淬火软点等导致接触抗疲劳差，在齿轮面上不一定是处处存在，有时是局部存在，导致漏检，这一问题及风险可通过增加检查及检验频次解决。
受力分析不应该仅考虑稳态的啮合力，安全系数考虑过低时，虽然满足稳态应用要求，但抗异常非稳态的冲击力或者额外载荷的能力就相应较低，出现失效概率增加。系统冲击力与外来冲击载荷，柔性缓冲设计，自身转动惯量等因素相关，如紧急制动，切向风等对齿轮箱的冲击要考虑，有时冲击力是稳态运行时的几倍力量，产生的损伤虽然短时非致命，但累积起来则对系统失效影响还是很大的，如齿轮开裂、崩齿等现象。
二、选材及热处理不当
选材一般采用材料手册中参数和一般行业经验来选择，相对出现问题较少，采用新材料一般都非常小心，经过大量实验验证后才能大批量应用，一般不会出现问题。但是有时用错料等情况，这一般与原材料进厂把关不严或者存放转运等混乱有关，是质量管理问题。
零部件热处理不当引起的组织状态异常，同时检验不够全面或者辨识错误引起的问题相对较多。主要体现在工厂只检硬度，金相只检齿形样，往往部分金相组织的判断识别忽视，拉伸冲击只检齿根部位，其他位置不太关心，这往往会出现对热处理不能全面把控。
多次失效证明：当热处理质量过关，但轮缘厚度设计偏小时，或因热处理淬火冷却速度低出现大量非马氏体，而导致齿轮壁厚方向偏软，组织中上贝氏体过多引起机械性能较差时，均易出现内孔疲劳或者断齿现象。相比较而言齿面出现大角块状碳化物、硬度梯度相对较易发现，齿形样一般会显示出来，但是齿面碳含量及氢含量等指标一般不去过度