转子侧的齿轮箱输入轴直径可达数米，而发电机侧的齿轮箱输出轴直径则明显小得多。我们可以采用定制磁性带的解决方案（磁性带具有等距的增量），并配备两个偏移 180° 的扫描头（一个用于输入轴；一个用于输出轴）。该方案已经在实践中被证明是有效的。

传感器元件的偏移补偿了可能存在的跳动，这种跳动会对测量结果产生显著影响。测量采用“背靠背”的模式，其中待测的从动齿轮箱和主齿轮箱彼此相对地连接在转子轴上（见图1）。

通过适当的信号调制，速度传感器输出数字脉冲序列，这些序列由高分辨率 ROTEC 速度测量卡进行记录。ROTEC 速度测量卡有一个特殊功能：不对输入信号进行采样。相反，它对信号的增量或边缘变化进行计数。每次检测到边缘变化时就会生成一个时间戳。计数器以 12 GHz 的频率运行，可实现 0.081 纳秒的高精度时间分辨率。基于磁性带上的增量总数，并假设这些角度在目标上等距分布，ROTEC RAS 可软件直接从时间戳的差异计算速度和两个测量点的相对位置或角度位置差值，无需滤波操作或数值积分。

除了检测输入轴和输出轴的转速，在变速箱的不同位置还安装有加速度传感器，用于记录振动和结构噪声信号。振动是由所有同时啮合的齿轮齿面的“不均匀”滚动引起的。因此，传动误差与结构噪声排放之间存在直接联系。然而，单级齿轮的直接啮合或啮合阶次（TMO）和啮合的谐波（倍频）均为结构噪声的来源。

风电齿轮箱由多组行星轮构成，在输出端通常还有一组圆柱齿轮。这导致存在多个激励源，即：多个齿轮啮合及其谐波。这些激励源会在风力发电传动装置的宽广负载和转速范围内引起振动。这些振动随后通过齿轮箱传递至整个塔架中，并通过齿轮箱输入轴传递至转子和叶片，最终作为空气噪声辐射到环境中。这种辐射的空气噪声可以使用简单的定向麦克风进行测量。

由于齿轮箱各级啮合的阶次繁多，且各级齿轮的谐波也各不相同，风电齿轮箱会在宽频带范围内产生振动。这些噪声排放中只有一小部分实际上能被人耳感知，而被感知为干扰的比例则更小。低频噪声俗称“齿轮磨擦声”，高频噪声俗称“齿轮啸叫声”。因此，我们的目标是识别被视为干扰的频率源，并将其排放降至更低水平。

然而，通常无法完全消除齿轮的激励，因为风电齿轮箱在很宽泛的负载和转速范围内运行。如今，即使是陆上风力发电设备的额定功率也会超过 5 MW，这意味着从转子传递到齿轮箱的扭矩超过 900 万 N·m。

由于负载范围很广，齿轮箱所有部件都会根据运行条件的不同而发生不同程度的弹性变形。这不仅适用于啮合的齿轮，还适用于轴、轴承和箱体部件。

这意味着齿轮箱或齿轮无法以使其在所有负载和转速组合下都能以最佳运行的方式进行制造，即达到最小的传动误差和最小的结构噪声。

因此，决定性因素在于风力发电设备的后续运行特性，即“现场”的负载和转速特性。

与许多动力机械和作业机械一样，风力发电设备也受到不利运行条件的影响（例如：低转速下的高负荷运行）。此外，每台机器都有共振范围，在该范围内，激励（固定频率或阶次）会面对部件的固有频率。必须识别这些共振范围。如有可能，应“避开”这些范围。如果无法避开，则应尽快“穿越”这些范围。

现代仿真法也使得在设计阶段就将部件弹性纳入齿轮箱设计中成为可能。

例如，齿轮的宏观和微观几何形状在制造过程中经过精细磨削，使得齿面在负载作用下能够很好地啮合滚动（即仅在弹性变形的状态下），从而实现齿面上的负载均匀分布。这种改进不仅对工作范围内的传动误差产生积极影响，还能提高最大工作负载极限并减少磨损。由于风力发电设备是在最佳功率曲线上运行的，这意味着在最佳范围之外传动误差和相关的振动会增加。

图2 给出了级齿轮的评估后传动误差。上方的二维图清晰显示，齿轮啮合本身（TMO 1，红色曲线）在极低负载（几乎没有弹性变形）和极高负载（弹性变形较大）下均会导致较大的传动误差，而在中等负载范围（工作范围）内，传动误差相对较小。在此工作状态下，谐波（TMO 1，1 阶谐波和 TMO 1，2 阶谐波）并不显著。下方的三维概览图还显示了第二级齿轮啮合的频谱线（TMO 2），该频谱线仍然位于级齿轮二次谐波的谱线前面。

使用 ROTEC RAS 软件对测量数据进行评估，通常在阶次域中进行。阶次域频谱分析相比于频域分析具有如下优势：阶次分析是以参考轴的转数为基准，而非时间。这使得评估具有瞬态或变化频率的旋转循环系统中的瞬态过程更为容易。通过速度爬升识别系统中存在的（固有）频率。

因为激励频率的缘故，测试对象的旋转频率从最小值增加到最大值。在速度爬升过程中，穿过并检查测试对象的整个激励场，以确定哪些旋转频率激励了测试对象的哪些组件，并在最差的情况下导致它们产生了共振。对于多级风电齿轮箱的齿轮啮合阶次及其谐波而言，这意味着总存在若干转速点，而在这些转速点上，旋转频率与某个齿轮级的啮合阶次或某个谐波相吻合，从而导致振动特性增强。由于振动特性还取决于部件负载（预负载），即：固有频率随负载而变化。因此，在测试风电齿轮箱时，需要在不同的负载下进行速度爬升测试。

图3 显示了在恒定负载下，经过速度爬升评估后的第二级传动误差。图中清晰显示，啮合本身（TMO 2，红色曲线）和齿啮合的一阶谐波（TMO 2，1阶谐波）均出现明显增加。这些增加部分用*标记，并在下方的三维概览图中显示了相应齿轮箱转速下的振动频率。齿轮箱转速和齿啮合阶次均指向齿轮箱的输出轴（HSS）。

为了消除因转速增加引起（试验台相关的）影响以及由此产生的瞬态部件变形的影响，除了进行恒定负载速度爬升测试外，还需要进行恒速负载爬升测试。然而，需要通过速度爬升测试来生成整个速度范围内的激励。即使激励频率已知，在恒速测量点也可能无法“触发”这些激励。如果测试系列中的负载梯度控制得当，则可以生成完整的传动误差扭矩-转速图，并识别出关键区域。扭矩-转速图也是一个三维彩色图，ROTEC RAS 软件可以通过将不同负载点下速度爬升的各个二维曲线轮廓“对齐”来生成该图。

图4显示了测量矩阵与第二级齿轮传动误差的扭矩-转速图叠加，即：所有恒定负载下的转速爬升和恒定转速下的负载爬升以及恒定测量点。蓝色虚线给出了风力发电设备投产后的运行情况。图中清晰可见，蓝色曲线很好地避开了传动误差增大的临界和禁忌区域。在这种情况下，功率曲线的改进体现在：只需略微提高转速即可将扭矩提升至最大值（蓝色实线）。

源文件：GEARS inline 12 | 2025

大昌华嘉齿轮技术编译