宣安光

（杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，杭州 311203）

國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況和發(fā)展建議

宣安光

（杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，杭州 311203）

面對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩、市場競爭激烈的困境，齒輪箱企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，做好轉(zhuǎn)型調(diào)整，與整機(jī)企業(yè)一同強(qiáng)化科技支撐體系，打好基礎(chǔ)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱；產(chǎn)品研發(fā)；可靠性

0 前言

我國風(fēng)電業(yè)經(jīng)歷過井噴式發(fā)展和高速投資擴(kuò)張后，產(chǎn)業(yè)形勢并不樂觀，產(chǎn)能過剩、設(shè)備利用率低下、債務(wù)纏身使某些企業(yè)陷入虧損漩渦。不管是整機(jī)廠還是零部件廠，均面臨這一尷尬的局面。但是，面對資源短缺和環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，國家加快發(fā)展可再生能源的政策不會改變，政府將出臺多項(xiàng)措施，幫助企業(yè)逐步走出困境。機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，這給行業(yè)帶來希望。風(fēng)電整機(jī)和零部件產(chǎn)業(yè)都必須嚴(yán)控產(chǎn)能非理性擴(kuò)張，進(jìn)行必要的整合，做好轉(zhuǎn)型升級，練好內(nèi)功，為今后長期健康發(fā)展創(chuàng)造條件[1]。

1 齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的薄弱環(huán)節(jié)

機(jī)組傳動系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力多變的系統(tǒng)，不單只是系統(tǒng)中的傳動機(jī)械，包括機(jī)座支架、機(jī)艙布置、風(fēng)輪結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和控制方式等，相互關(guān)聯(lián)，相互影響。任何一個(gè)環(huán)節(jié)有問題都可能使機(jī)組無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。齒輪箱在傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組中用于風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間傳遞動力和增速，是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，承受著來自風(fēng)輪變化多端的載荷和發(fā)電機(jī)電網(wǎng)一方的沖擊，也是機(jī)組中的薄弱環(huán)節(jié)。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多安裝在荒郊野外，并支撐在近百米的塔架上。惡劣的工作環(huán)境和高昂的安裝維護(hù)成本為一般工業(yè)設(shè)備無法比擬。如果風(fēng)電齒輪箱發(fā)生內(nèi)部故障，在機(jī)艙內(nèi)基本上無法處理，需出動數(shù)百噸級的吊車，進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)換，維護(hù)成本也隨之大幅度提高。企業(yè)會因此耗掉很多成本。因此，對機(jī)組零部件的質(zhì)量要求近乎苛刻，任何細(xì)小問題都不能掉以輕心。企業(yè)為此加大了資金的投入，動輒上億或數(shù)億的技改設(shè)備購置讓企業(yè)不堪重負(fù)，再加上需要大量高級技術(shù)人才和工業(yè)化的基礎(chǔ)，非一般企業(yè)所能承受。這使得前些年?duì)幭噙M(jìn)入風(fēng)電領(lǐng)域的一些企業(yè)壓力巨大。

零部件企業(yè)不斷擴(kuò)大產(chǎn)能為整機(jī)企業(yè)需求配套；另一方面，又要不斷開發(fā)新的機(jī)型，滿足機(jī)組常年更新的要求。產(chǎn)品的更新和成型須要經(jīng)歷一定的程序，得到用戶的認(rèn)可周期更長。因此，風(fēng)電設(shè)備零部件市場始終存在著發(fā)展不平衡的狀況。

目前我國大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組是以引進(jìn)歐洲技術(shù)或是以產(chǎn)品生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行的，從國外引進(jìn)的只是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的集成技術(shù)，并不包括像齒輪箱、電機(jī)等具體部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)則是參照引進(jìn)技術(shù)中的齒輪箱采購規(guī)范并參照國外樣機(jī)進(jìn)行的，齒輪箱的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接尺寸多數(shù)按國外機(jī)組要求進(jìn)行類比設(shè)計(jì)。由于機(jī)組的形式多種多樣，企業(yè)即使引進(jìn)了某一項(xiàng)技術(shù)，也無法滿足眾多整機(jī)用戶的需要。

2 各種機(jī)型并存發(fā)展

以市場商用機(jī)組的份額來看，未來若干年，具有齒輪傳動的雙饋機(jī)組仍然是主流。這種傳統(tǒng)的機(jī)型注重高功率密度設(shè)計(jì)，具有多年運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定性較好。另一方面，直驅(qū)型機(jī)組和混合傳動機(jī)組將按一定比例逐年遞增，市場份額逐漸增長。直驅(qū)型機(jī)組取消齒輪箱后，縮短了傳動鏈，簡化了機(jī)艙結(jié)構(gòu)，降低了精密機(jī)械傳動的故障風(fēng)險(xiǎn)。但直驅(qū)型機(jī)組的低功率密度設(shè)計(jì)造成發(fā)電機(jī)體積龐大，運(yùn)輸?shù)跹b困難，難以適應(yīng)特殊條件的需要。發(fā)電機(jī)的尺寸加大，對零部件供應(yīng)商的制造能力也是一個(gè)挑戰(zhàn)，近年來稀土金屬不斷漲價(jià)也給永磁電機(jī)制造增加了障礙[2]。

為了減小機(jī)組尺寸，采取的一種折衷方法是仍然采用增加齒輪傳動的方式，即所謂的半直驅(qū)、混合驅(qū)動或緊湊型的機(jī)組等。盡量采用緊湊發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，齒輪箱速比的減小對延長機(jī)組壽命也有利。

將齒輪箱與機(jī)架底座做成一體，或省去主軸，將齒輪箱掛在巨大的軸承上。這些措施也能夠節(jié)省機(jī)艙體積，縮短傳動鏈。但這種情況下，昂貴的軸承既要承受軸向力、徑向力，又要承受風(fēng)輪的顛覆力矩，會帶來新的故障風(fēng)險(xiǎn)。

海上風(fēng)電是具有重大挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，涉及更大容量風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。對齒輪箱而言，對穩(wěn)定可靠性要求更高。除了陸上機(jī)組的要求外，更增加了抗海嘯風(fēng)暴、防海水水霧腐蝕以及絕緣等特殊要求。

今后各種機(jī)型將并存發(fā)展，都需不斷取得技術(shù)突破，來彌補(bǔ)自身薄弱環(huán)節(jié)。

各種不同容量不同形式的風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)不同國家和地區(qū)，機(jī)組容量不宜一味求大。在不同的層面上都會有所需求。只有適合當(dāng)?shù)貙?shí)際需求、質(zhì)量上乘的機(jī)組，才會受到用戶的青睞。廠家在確定技術(shù)路線時(shí)要看準(zhǔn)方向，將有限的資金用到最當(dāng)用的地方。

風(fēng)電機(jī)組對齒輪箱要求很高：體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、維修方便等。為了適應(yīng)風(fēng)電場這樣特殊應(yīng)用環(huán)境的需要，對齒輪箱的強(qiáng)度和精度都提出了極高的要求。整個(gè)制造過程都要處于極嚴(yán)格的控制之下，為此企業(yè)必須徹底改變舊的管理理念，對整個(gè)制造過程進(jìn)行極嚴(yán)格的控制，包括原材料控制、熱處理和機(jī)加工的工藝銜接、精度提高、清潔度的控制等。齒輪箱裝配完成后，在工廠的試驗(yàn)臺架上，通過施加額定負(fù)荷和一定比例的超載負(fù)荷，對齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)、噪聲、溫度、速度、振動、潤滑、齒輪和軸承的工作狀態(tài)等完成一系列的測試。在重要部位安裝相應(yīng)的傳感器和測試儀器檢測，獲取參數(shù)值。在試驗(yàn)中根據(jù)檢測信號的異常程度即可判斷運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

齒輪箱失效的主要形式是輪齒折斷和齒面點(diǎn)蝕、剝落等。除了自身的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)制造因素外，機(jī)組的動力學(xué)結(jié)構(gòu)和特殊的使用條件也會加速齒輪的失效進(jìn)程。由于運(yùn)轉(zhuǎn)中齒輪箱是變工況的，在齒輪受風(fēng)載頻繁變化沖擊時(shí)，如果齒輪的微動磨損超過一般設(shè)計(jì)預(yù)期，往往使用2年至3 年就出現(xiàn)齒輪點(diǎn)蝕。這種失效與接觸精度和硬化表層物理冶金因素有關(guān)。對付點(diǎn)蝕，要保證齒輪的疲勞強(qiáng)度和加工精度，所有能用得上的措施都采用也不為過。這包括原材料控制、熱處理和機(jī)加工的協(xié)調(diào)、齒面精度和粗糙度的提高、燒傷的控制等。

3 需要攻克的重要課題

未來幾年，我國風(fēng)電齒輪箱行業(yè)需要攻克一些關(guān)鍵課題，加強(qiáng)質(zhì)量管理，健全配套體系。主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面[3]。

3.1 提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平

目前國內(nèi)兆瓦級以上的機(jī)組大多是按引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的。由于國內(nèi)外的氣候條件和環(huán)境不同，風(fēng)電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造和安裝水平存在差異，大部分進(jìn)口或國產(chǎn)齒輪箱都面臨早期損壞的問題。究其原因很多，其中設(shè)計(jì)落后是重要的一個(gè)。

風(fēng)電齒輪箱是傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組傳動軸系中一個(gè)最重要而又是最脆弱的部件。理想的情況是讓齒輪箱完成傳遞扭矩和增速的任務(wù)而不承受其他附加載荷。實(shí)際上，風(fēng)況的多變和機(jī)組的復(fù)雜變形，再加上機(jī)組在各種工況出現(xiàn)的載荷沖擊，給齒輪箱設(shè)計(jì)增添了不少不確定因素，加大了設(shè)計(jì)難度。

風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須在機(jī)組軸系整體分析研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在機(jī)組整體設(shè)計(jì)之初，由于理論、經(jīng)驗(yàn)和使用條件等原因，很少對增速齒輪箱進(jìn)行深入的分析研究。往往是在機(jī)組總體布局時(shí)留出一個(gè)空間，簡要地規(guī)定前后聯(lián)接及技術(shù)要求。所謂的“建?！保仓皇窃诶硐氲臈l件下進(jìn)行設(shè)想，與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況尚有較大距離。因此，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的投入，創(chuàng)造條件深入細(xì)致地分析研究，提高設(shè)計(jì)水平。

除了完善原有傳統(tǒng)機(jī)型兆瓦級齒輪箱的結(jié)構(gòu)性能外，還應(yīng)關(guān)注混合驅(qū)動、速度補(bǔ)償型、功率分流型以及各種特殊傳動機(jī)型的進(jìn)展，及時(shí)投入科研力量來支持技術(shù)創(chuàng)新。

3.2 建立研究開發(fā)平臺

機(jī)組制造與部件制造如何開展研究、如何分工銜接是必然會碰到的難題，必須認(rèn)真對待。風(fēng)電齒輪箱研發(fā)涉及眾多領(lǐng)域，特別是一些基礎(chǔ)層面，需要從機(jī)組傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳動原理、結(jié)構(gòu)布置、材料、設(shè)備、工藝、潤滑、監(jiān)控等方面做大量的細(xì)致工作。目前國內(nèi)還沒有哪個(gè)單位能夠全面承擔(dān)這樣艱苦繁雜的任務(wù)。原部屬研究院所為了生存，大部分精力都放在開發(fā)產(chǎn)品和獲取經(jīng)濟(jì)效益上。大型企業(yè)雖然擁有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，但著眼點(diǎn)還是為企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品以求生存。

研發(fā)所需的儀器設(shè)備以及試驗(yàn)裝置昂貴。單臺設(shè)備動輒幾千萬，投資額度相當(dāng)大。開發(fā)人員，特別是有資歷、經(jīng)驗(yàn)豐富的專家配備也相當(dāng)困難。國家也不可能為之作大的投入。有鑒如此，建有國家級技術(shù)中心的大企業(yè)（包括整機(jī)和部件企業(yè)）應(yīng)與專業(yè)院所合作，共同組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)，按照既定計(jì)劃，分步實(shí)施公關(guān)項(xiàng)目，各自承擔(dān)子課題，定期聚合討論研究。國家則重點(diǎn)投資建設(shè)國家級風(fēng)電機(jī)組模擬試驗(yàn)和開發(fā)平臺，為企業(yè)解決難題，同時(shí)完成基礎(chǔ)研究任務(wù)。

3.3 注重高可靠性，提高產(chǎn)品使用壽命

風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)注重高可靠性和長壽命，加強(qiáng)大型風(fēng)電齒輪箱及配套軸承設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面的系統(tǒng)研究，積累現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于運(yùn)轉(zhuǎn)中齒輪箱是變工況的，頻繁受風(fēng)速變化沖擊，機(jī)艙底座的變形使齒輪和軸承磨損加劇，超過齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)期的邊界條件。如何解決輕量化和機(jī)構(gòu)剛性、質(zhì)量成本之間的矛盾，將精細(xì)設(shè)計(jì)貫徹始終，攻克早期失效、密封、漏油、噪聲等老大難問題，都是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)風(fēng)電增速箱的特點(diǎn)，應(yīng)組織力量進(jìn)行可靠性分析，包括精心選取可靠性高的結(jié)構(gòu)和對重要零部件及整機(jī)進(jìn)行可靠性分析試驗(yàn)。根據(jù)機(jī)組載荷譜對齒輪箱整機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動力學(xué)分析等。除了采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法外，還要采用模擬整機(jī)運(yùn)行條件下進(jìn)行零部件建模并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證方法。另外，對行星齒輪傳動均載、最佳傳動組合與齒輪加工精度、工況和效率之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究。分析噪聲產(chǎn)生成因，采取適當(dāng)措施降低噪聲；研制出新的密封結(jié)構(gòu)或裝置，合理設(shè)計(jì)布置軸系和輪系傳動機(jī)構(gòu)，提高體系的剛度，避免發(fā)生共振。

目前國內(nèi)尚沒有完善的風(fēng)電齒輪箱專用設(shè)計(jì)軟件，國外介紹的軟件大多又是從汽車傳動或通用機(jī)械傳動轉(zhuǎn)化而來的，須經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證。軟件是設(shè)計(jì)制造的工具，工欲善其事，必先利其器。因此，針對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，綜合考慮自身因素，編制適合自己企業(yè)的專用軟件，是進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)之一。

4 結(jié)語

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于自主創(chuàng)新。目前我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)統(tǒng)一的自主創(chuàng)新平臺還沒有形成，促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的整合和協(xié)調(diào)發(fā)展是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)共同努力的目標(biāo)。無論是上游單位或下游單位，都應(yīng)服從這一戰(zhàn)略目標(biāo)，為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展承擔(dān)起自己的責(zé)任。

風(fēng)電齒輪箱行業(yè)在整合的同時(shí)要與整機(jī)廠、科研機(jī)構(gòu)、風(fēng)電場等利益鏈緊密配合，強(qiáng)化科技支撐體系，促進(jìn)自主創(chuàng)新，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)人才培養(yǎng)和后續(xù)服務(wù)；加快統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺建設(shè)，做到同步建設(shè)、科學(xué)發(fā)展，為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

[1] 楊校生.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011(10).

[2] 宣安光.對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動技術(shù)的探討[J].電氣制造,2010(3).

[3] 孔建勤，宣安光.我國風(fēng)電齒輪箱行業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展中的問題與對策[J].風(fēng)能, 2011(7):40-43.

Current Situation and Development Suggestions of China’s Wind Turbine Gearbox Industry

Xuan Anguang
（Hangzhou Advance Gearbox Group Co., Ltd., Hangzhou 311203, China）

Face to the difficult conditions of manufacturing capacity overplus and fierce market competition, the gearbox manufactures, together with wind turbine manufactures, should grasped opportunities to do better for transformation and rectify, strengthen base, to boost the trade development smoothly.

wind turbine gearbox; product research; reliability

TM614

A

1674-9219（2013）08-0048-03

2013-03-01。

宣安光（1944-），男，教授級高級工程師，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪傳動裝置設(shè)計(jì)與制造。