恶劣的海上工况以及高额的故障维护成本制约着我国海上风电行业的发展水平,也对大型海上风电机组齿轮箱等关键部件的可靠性提出了更高的要求。以某5 MW海上风电机组齿轮箱为研究对象,以“参数激励特性分析-齿轮故障建模及动力学分析-齿轮箱参数优化”为研究思路,综合运用多体动力学、振动理论、赫兹接触理论、集中参数法、遗传算法、模态分析、正交试验等方法,通过揭示典型齿轮故障的产生机理,提出基于可靠性增长的海上风电齿轮箱优化设计方案。具体研究工作及成果如下:（1）参数激励对齿轮动力学特性影响规律研究。以某5 MW海上风电机组齿轮箱高速平行级齿轮副为研究对象,建立考虑其弯-扭-轴-摆耦合的12自由度动力学模型;在额定转速工况下,定量地探究压力角、螺旋角、齿中心距、齿侧间隙等参数激励对平行级齿轮动力学特性影响规律。研究表明:25°压力角下的齿轮啮合力波动相对较小;螺旋角差异对齿轮振动特性的影响尤为显著,9°螺旋角附近振动较弱;与直齿轮相比,斜齿轮啮合刚度对中心距变化更为敏感,随着中心距的增大,啮合刚度整体呈下降趋势;法向齿侧间隙变化对直齿轮振动特性影响更为显著,在一定范围内增大法向齿侧间隙,齿轮的振动减弱。（2）局部齿面均匀磨损故障建模及动力学特性研究。以某5 MW海上风电机组齿轮箱高速平行级直齿轮副为研究对象,建立基于集中参数法的弯-扭耦合齿轮传动模型;基于悬臂梁理论及势能解析法,得到有、无磨损故障下的理论时变啮合刚度模型;引入弧度角参数θ来表征磨损程度,建立局部齿面均匀磨损参数化模型,对不同转速、不同磨损程度下的齿轮箱进行动力学特性分析。研究表明:随着输入转速、齿面磨损程度增加,齿轮箱振动剧烈程度增大;在无齿面磨损故障下,箱体振动加速度的主要激励源为啮合频率的倍频,按幅值由大到小依次为3fm、2fm、4fm、1fm,而在齿面磨损故障时,主要激励源变为2fm及周围故障频率。（3）基于齿廓外形与摩擦耦合的分布齿面剥落故障建模及动力学特性研究。以某5 MW海上风电机组高速平行级齿轮副为研究对象,提出了一种基于齿廓外形和摩擦耦合的分布式齿面剥落故障建模方法;建立不同剥落程度下的齿轮时变啮合刚度计算模型,并将其代入到考虑弯-扭耦合的齿轮箱动力学微分方程,在不同转矩工况下对其进行数值求解,对不同磨损程度、不同转矩工况下的振动信号进行时频域分析。研究表明:随着齿面剥落程度和输入转矩增大,箱体振动、齿轮扭振越剧烈;在40%额定转矩附近,齿面剥落引起的齿轮箱振动速度、振动加速度变化尤为显著;引起小齿轮扭振幅值大小的主要激励频率依次为1fm,2fm和4fm,不随剥落故障程度变化而变化,高阶激励频率下的扭振幅值随着剥落程度的增加而明显增加。（4）基于遗传算法的大型海上风电多级齿轮箱减重优化研究。以某增速比为97的5 MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象,以齿轮箱最小体积为优化目标,综合考虑传动轴的强度、齿载荷强度等约束,借助遗传算法对各级增速比、行星轮数目排布进行优化设计;对优化后的各级增速比区间进行解耦,建立基于零阶优化算法的齿轮箱配齿方案及相应的弯-扭-轴-摆耦合动力学模型,在额定转速工况下对齿轮箱均载特性、振动特性进行定量统计分析。研究表明:以A5A3B型齿轮箱为例,当其各级增速比分别由4、5、4.85优化至3.778、5.4、4.755时,其等效体积由近7.2 m3降至约6.4 m3,减重比接近11%;以A3A3B型齿轮箱为例,当其第一、二级的太阳轮、行星轮、内齿圈齿数分别为29、28、85和26、46、118,第三级大、小齿轮齿数分别为1 1 1、25时,齿轮箱行星级均载特性良好,且高速输出轴传动平稳。（5）基于正交试验的大型海上风电齿轮箱多级螺旋角优选研究。以某5 MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象,建立以三级齿轮螺旋角（A、B、C）为自变量因素,以5°、8°、11°、15°为离散水平的16组正交设计方案,建立对应不同正交设计方案的带有浮动太阳轮的弯-扭-轴-摆耦合齿轮箱模型并对其进行动力学仿真;对齿轮箱均载系数、振动信号等参数进行数理统计分析,对各自变量因素及离散水平进行因子效应评估;采用对比算例验证正交试验结果的有效性。研究表明:任一行星级的均载特性均主要与该级螺旋角有关,第一级螺旋角较大,第二级螺旋角在11°附近时,对应该级均载特性良好;当第三级螺旋角在8°附近时,高速输出轴振动程度较弱。局部齿面磨损与分布式齿面剥落故障建模方法为揭示齿轮疲劳故障特性提供有效的数据参照;在减重、振动特性、均载特性优化等方面提出的齿轮箱参数设计方法可以有效提高大型海上风电齿轮箱的可靠性。部分研究成果已投入实际应用并取得良好效果。