（1）大型化

我国“十五”期间，开始面向风电兆瓦级产业化，提出了大功率风电机组七个方面的问题，包括兆瓦级整机技术，分两个档次：2.5MW以下的技术，2.5MW以上的技术。除了整机以外，还包括叶片、齿轮箱、发电机、控制变流技术、海上风电技术以及标准认证等方面，开展全方位研究。在此期间完成了兆瓦级的叶片、齿轮箱、发电机、控制器等这些主要部件的设计、生产、制造、应用，使我国风电形成了一个完整体系。

为了提高风能利用率和发电效益，特别是随着海上风场的发展，风力发电机组正向着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率及机组的可靠性方向发展。单机容量从20世纪80年代的30千瓦发展到目前的5MW，建设一个200台大型风电机组的风电场，就相当于一个60万千瓦的大型核电站。目前，世界主流机型为1.5～3.0MW，英国正在研制10MW的巨型风电机组。2007年，美国、德国风电机组平均单机容量分别达到1.65MW和1.89MW，丹麦的主流机型2.0～3.0MW。

截至2006年，我国风电1.0MW以下的机组占总装机容量的70%，1.0～2.0MW之间的风电机组占26%，2.0MW以上机组只占4%。根据国家发改委规划，我国未来几年风电新增装机将以1.5MW、2.0MW和2.5MW为主。1.5MW以上机组的数量将快速增加，1.0MW以下所占比重将逐渐降低。

2007年11月，我国第一个海上风电场在渤海油田顺利投产，拉开了我国有效利用海上风能的序幕。

2010年2月底，亚洲最大风力发电场——东海大桥100MW风电示范项目，主体工程提前完工。该项目是2010年上海绿色世博的标志性项目，是我国第一个大型海上风电项目，也是亚洲第一个海上风电项目。该工程位于上海东海大桥东侧，由34台单机容量为3MW的风电机组组成，总装机容量102MW，设计年发电利用小时数2624h，年上网电量2.67亿kW·h。东海大桥100MW风电示范项目预计2010年年中实现并网发电，作为我国第一个大型海上风电项目，东海大桥风电场对我国可再生能源发展具有重要的示范意义。

（2）载荷

风力发电机组一般安装野外、高山、近海及海岛等风能资源丰富，且周围开阔的地方。发电机组齿轮箱安装在狭小机舱内，而该机舱又安装在距离地面几十米高的塔架上，常年工作在酷暑严寒极端温差条件下。齿轮箱运行过程中伴随切入、切出、停机等事件发生，长期受复杂交变载荷作用。故障期一般出现在发电的高峰期，因为环境恶劣，交通不便，齿轮箱一旦出现故障，修复十分困难，将严重影响风电场的经济效益。

风电齿轮箱与工业传动齿轮箱的最大区别，在于风电齿轮箱是增速箱，单机容量越大，增速传动比也越大；安装在高空机舱内，缺少固定基础，还要具有成本效益的轻质结构。同时，风电齿轮箱必须在其20年的使用寿命期内，提供最大化的可运行性，以及必须承受巨大的动态应力。因此，在设计风电齿轮箱之前，必须清楚了解风电场的具体情况。此时此地成功运行的风电机组，到彼时彼地就不一定能保证成功运行。从国外引进的成熟机型到国内后“水土不服”，不乏这样的例子。

IEC61400—1《风力发电机组第一部分 安全要求》规定了风力发电机组载荷假设的最低要求。IEC61400—4《齿轮箱设计及规范》说明了齿轮箱的附加要求。在正常运行中，除疲劳载荷外，还会有切入、额定、切出风速时，起动、制动、停机时以及齿轮箱和机组装配不规范带来的影响。

（3）设计

风电开发初期阶段，齿轮箱作为一个重载齿轮箱进行设计，经过总结成功和失败两方面的经验和教训，现在已经认识到风电齿轮箱不能等同于一般工业齿轮箱，而应作为一个高端产品严格要求，进行动载荷及可靠性试验，并进行评估。

齿轮箱不再作为单独产品，而是作为整个传动装置的一个组成部分，对弹性支撑、整个传动链等进行动力学分析，对齿轮、轴承、行星架、箱体等关键零件进行CAE分析。在保证必要的强度、刚度的基础上，科学地减轻重量。以期较好地解决风电载荷下，整个传动系统的动力学和可靠性问题。

在齿轮箱工作转速范围内，传动轮系、轴系不应发生共振。齿轮箱的机械振动应符合GB/T 6404.2—2005《齿轮装置的验收规范 第2部分：验收试验中齿轮装置机械振动的测定》规定的C级。

根据GB/T 19073—2008的规定，齿轮箱主要零件的设计载荷和强度计算按JB/T10300—2001《风力发电机组 设计要求》及订货技术协议的相关规定进行。

国际上先进的企业和相关科研机构相互合作，通过理论分析及试验测试对风电齿轮箱的运行性能进行了系统研究。美国风能协会（AWEA）和齿轮协会（AGMA）于2003年10月制定了新的风电齿轮箱标准“Standard for Design and Specification of Gearbox for wind Turbines”，于2004年1月上升为美国国家标准，即ANSI/AGMA/AWEA 6006—A03。该标准对风电齿轮箱的设计、制造、使用等作了详尽的规定。

目前，国际上通用的齿轮接触疲劳承载能力和弯曲疲劳承载能力计算方法除AGMA外，还有ISO体系。AGMA 6006标准中规定，齿轮强度计算时，选取二者之一即可。尽管两个标准的计算方法原理上大体相同，但实际应用时两个标准的计算结果存在一定差异。在AGMA 6006—A03标准制定过程中，美国国家再生能源实验室（NREL）曾委托GEARTECH公司对ISO和AGMA进行了大量对比研究，试图找到一个二者之间的对应关系，但两标准的计算结果与具体的齿轮参数有关，并不存在一个定值系数能实现二者的转换。

当然，也有文章指出，直齿轮与斜齿轮的承载能力通过ISO 6336确定后，经常发生齿轮损坏情况，尤其是风电机组运行初期阶段。然而，故障的齿轮设计按ISO 6336标准仍然可以自圆其说。这可说明对于风电齿轮箱设计，ISO 6336或其前身标准还不够严格。因此，针对ISO 6336用于风电齿轮箱设计，将制订包含在风电系列标准中的特殊标准对其进行限制。例如，满足AGMA 6006要求的齿轮，故障率大大低于按照ISO6336设计的齿轮。

最为合理的设计载荷确定方法，应对其典型应用周期及工况的载荷谱进行测定，并据此确定当量载荷进行设计。目前风电齿轮箱设计时多以额定功率和额定转速，同时考虑1.3倍的使用系数来计算。尽管这是一个并不令人满意的方法，但在现阶段也是较为实际和可接受的方法。齿轮设计中，应特别注意随机出现的最大载荷或风电机组中发电机短路及系统紧急停机时可能出现的极限载荷对齿轮强度的影响，应进行极限载荷的静强度核算，以确保极端条件下齿轮强度的安全性。

国内齿轮箱失效的主要形式是早期点蚀。由于风力作用于齿轮箱是变工况的，在齿轮频繁受到风速变化冲击时，齿轮的微动磨损超过了一般设计的预期（有的公司设计时根本没有考虑齿轮的微动磨损），往往造成使用2～3年就出现齿轮早期点蚀，这是国产风电齿轮箱的最大毛病。目前国内还没有针对风电齿轮箱统一的专用设计软件，但各大公司都有自己的设计计算方法。(www.daowen.com)

根据欧盟及德国相关机构2006年的统计，在整个风电机组中，齿轮箱的故障数量已由首位降至后几位。但由于齿轮箱的故障而导致的停机时间仍是最长的。

（4）结构

500kW以下的风电齿轮箱多是早年研发的，增速传动比较小，采用定轴传动居多。600kW以上的，随着功率提高，增速传动比逐渐增加，大型风电齿轮箱的增速传动比甚至接近于100，一般要三级齿轮传动。目前采用最多的比较成熟的结构形式是一级2K-H（NGW）行星+两级（+单级）定轴传动。行星传动有传统的三个行星轮和3个以上的多行星轮，浮动方式有鼓形齿太阳轮结构（短轴）、花键太阳轮结构（长轴）及柔性行星轮轴结构等。

输入大轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离，又能减轻齿轮箱的承载，可降低维修费用，较为合理。输入大轴与齿轮箱输入轴的连接方式有：轮毂、法兰、胀紧套等。其中，采用胀紧套较为常见。因为花键加工有困难，一般不采用花键联接。在实际应用中，也曾出现过大轴与齿轮箱输入轴咬死而拆不开的难题。因此，设计时，要求提高材质性能和结合面硬度，降低表面粗糙度；在齿轮箱输入轴的结构上进行改进，增加高压油孔及油槽，这些都是实践证明较为有效的解决办法。

（5）润滑

GB/T 19073—2008规定，齿轮箱应装有润滑和冷却装置，且应提供油位测量装置，以便检查油位。在齿轮箱具有循环润滑系统的情况下，应在散热器后和进入齿轮箱前设置润滑油温度和压力监测装置。齿轮箱应具有良好的润滑条件，采用飞溅润滑或强制润滑方式。采用强制润滑时必须配置滤油器，油液清洁度应达到GB/T 14039—2002《液压传动 油液 固体颗粒污染等级代号》规定的代号为15、12的要求。油站的起动温度应不低于10℃。

300kW以下风电机组齿轮箱大多采用飞溅润滑，随着风力机功率增加，这已经不是主流润滑方式。300kW以上的齿轮箱几乎都采用强制润滑。在齿轮箱外接上一套润滑系统，系统需配备油泵、冷却器（有风冷式和水冷式）、滤油器、电磁换向阀等装置。根据测定的油温，决定是否起动冷却器。

强制润滑方式中，齿轮油循环有两种控制方式：由压力阀或者是由温控阀控制大小循环。大循环，是指当风力机负荷较大时，齿轮油油温高于预设值（一般为55℃），齿轮油开始从有齿轮油散热器的循环回路流通；小循环，是当油温低于预设值（一般为45℃）时，齿轮油不通过齿轮油散热器的循环回路流通，从旁路流通。

对齿轮箱润滑系统设计，还要考虑备用的润滑系统，当系统电网停电时，备用润滑系统投入工作。

风电齿轮润滑油通常要求换油周期在25000～50000h，常规油品无法满足上述要求。与普通齿轮润滑油相比，还要具备以下性能要求：

1）抗微点蚀性能 它是疲劳磨损的微观表象，多出现在滑动接触面上。例如在齿顶和齿根部位，表面疲劳导致表面出现微小的点蚀，也可能出现表面灰暗、斑点、局部变得粗糙、齿面剥脱等。

2）齿轮箱润滑油对轴承的保护 齿轮润滑油还兼顾轴承的润滑。FAG提出了齿轮油对轴承的抗磨保护测试，测试项目为轴承磨损量和存积物的量，该测试共有4级。

3）油的过滤性要求 油液清洁度每提高一个等级，轴承寿命成倍延长。润滑油的过滤性能是测试新的润滑油在不含水或含水的情况下，通过一支滤芯时的压力差。不同的润滑油，过滤性能差异较大，尤其是当油中含水的时候。由于基础油非常稳定，被拦截下来的东西大多是某些添加剂。所以，润滑油过滤性能不好有两个坏处：①不能维持齿轮箱很好的清洁度水平；②齿轮油的性能随着添加剂的减少而下降。因此，除了选择性能良好的过滤设备和精细滤芯外，选择润滑油也一样重要。

4）润滑油对水的容忍性 表现在少量水分侵入后，油品的性能不发生变化，关键是齿轮油中的添加剂遇水后的稳定性。润滑油中添加剂遇水后的稳定性，也是油过滤性能差异的主要原因。

5）润滑油的低温特性 低温型机组可运行在-30℃及以上温度。低温型齿轮油具有很高的粘度，远远超过齿轮油泵泵送粘度。因此，作为一种标准的设计，齿轮箱均设有电加热装置，以便在低温下起动时加热齿轮油。国内外主要齿轮箱厂都规定，只有当润滑油的温度达到10℃以后，齿轮箱才可以起动。

6）其他 除此之外，抗氧化性能，长寿命；与密封材料的兼容性；防锈防蚀性能；保持清洁的能力；抗泡性和空气释放性能；抗剪切性能；环境友好性能等这些指标也很重要，它们一起构成了风电齿轮箱润滑油完整的性能要求。

目前风电齿轮箱润滑普遍采用各种以不同种类的基础油，如聚乙二醇、聚α烯烃等炼制的高品质的合成齿轮箱润滑油，如Mobil SHC XMP320、Klubersyth 4N等，既有较好的低温适应性，有利于低温起动；又有较好的高温稳定性，有利于油膜形成，提高齿轮齿面的承载能力，可同时兼顾轴承对润滑油品的要求，且具有满意的使用寿命。

PAG合成基础油、聚乙二醇或聚醚，具有极低的摩擦因数和优异的粘温性能，曾经被认为是风电齿轮箱润滑油的最佳选择。有人认为PAG吸水，风机载荷变化使齿轮箱产生呼吸作用，空气中的水分会侵入油中。随运行时间增加，PAG油会形成乳化，防锈性变差，过滤性变低。目前聚α烯烃，即PAO合成基础油，已经在风电设备上经过大量应用、验证，是较理想的合成油。