國內風電齒輪箱產業(yè)現況和發(fā)展建議

宣安光

（杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州 311203）

國內風電齒輪箱產業(yè)現況和發(fā)展建議

宣安光

（杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州 311203）

面對風電產業(yè)產能過剩、市場競爭激烈的困境，齒輪箱企業(yè)應抓住機遇，做好轉型調整，與整機企業(yè)一同強化科技支撐體系，打好基礎，促進產業(yè)健康發(fā)展。

風電機組齒輪箱；產品研發(fā)；可靠性

0 前言

我國風電業(yè)經歷過井噴式發(fā)展和高速投資擴張后，產業(yè)形勢并不樂觀，產能過剩、設備利用率低下、債務纏身使某些企業(yè)陷入虧損漩渦。不管是整機廠還是零部件廠，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，政府將出臺多項措施，幫助企業(yè)逐步走出困境。機遇和挑戰(zhàn)并存，這給行業(yè)帶來希望。風電整機和零部件產業(yè)都必須嚴控產能非理性擴張，進行必要的整合，做好轉型升級，練好內功，為今后長期健康發(fā)展創(chuàng)造條件[1]。

1 齒輪箱是風電機組關鍵部件的薄弱環(huán)節(jié)

機組傳動系統是一個復雜的應力多變的系統，不單只是系統中的傳動機械，包括機座支架、機艙布置、風輪結構、電氣系統和控制方式等，相互關聯，相互影響。任何一個環(huán)節(jié)有問題都可能使機組無法正常運轉。齒輪箱在傳統風電機組中用于風輪與發(fā)電機之間傳遞動力和增速，是風電機組的關鍵部件，承受著來自風輪變化多端的載荷和發(fā)電機電網一方的沖擊，也是機組中的薄弱環(huán)節(jié)。

風力發(fā)電設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成本為一般工業(yè)設備無法比擬。如果風電齒輪箱發(fā)生內部故障，在機艙內基本上無法處理，需出動數百噸級的吊車，進行產品調換，維護成本也隨之大幅度提高。企業(yè)會因此耗掉很多成本。因此，對機組零部件的質量要求近乎苛刻，任何細小問題都不能掉以輕心。企業(yè)為此加大了資金的投入，動輒上億或數億的技改設備購置讓企業(yè)不堪重負，再加上需要大量高級技術人才和工業(yè)化的基礎，非一般企業(yè)所能承受。這使得前些年爭相進入風電領域的一些企業(yè)壓力巨大。

零部件企業(yè)不斷擴大產能為整機企業(yè)需求配套；另一方面，又要不斷開發(fā)新的機型，滿足機組常年更新的要求。產品的更新和成型須要經歷一定的程序，得到用戶的認可周期更長。因此，風電設備零部件市場始終存在著發(fā)展不平衡的狀況。

目前我國大多數風電機組是以引進歐洲技術或是以產品生產許可證方式進行的，從國外引進的只是風力發(fā)電機組的集成技術，并不包括像齒輪箱、電機等具體部件的設計制造技術。風電齒輪箱設計則是參照引進技術中的齒輪箱采購規(guī)范并參照國外樣機進行的，齒輪箱的結構和聯接尺寸多數按國外機組要求進行類比設計。由于機組的形式多種多樣，企業(yè)即使引進了某一項技術，也無法滿足眾多整機用戶的需要。

2 各種機型并存發(fā)展

以市場商用機組的份額來看，未來若干年，具有齒輪傳動的雙饋機組仍然是主流。這種傳統的機型注重高功率密度設計，具有多年運轉經驗，穩(wěn)定性較好。另一方面，直驅型機組和混合傳動機組將按一定比例逐年遞增，市場份額逐漸增長。直驅型機組取消齒輪箱后，縮短了傳動鏈，簡化了機艙結構，降低了精密機械傳動的故障風險。但直驅型機組的低功率密度設計造成發(fā)電機體積龐大，運輸吊裝困難，難以適應特殊條件的需要。發(fā)電機的尺寸加大，對零部件供應商的制造能力也是一個挑戰(zhàn)，近年來稀土金屬不斷漲價也給永磁電機制造增加了障礙[2]。

為了減小機組尺寸，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、混合驅動或緊湊型的機組等。盡量采用緊湊發(fā)電機結構，齒輪箱速比的減小對延長機組壽命也有利。

將齒輪箱與機架底座做成一體，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，又要承受風輪的顛覆力矩，會帶來新的故障風險。

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

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

各種不同容量不同形式的風電機組適應不同國家和地區(qū)，機組容量不宜一味求大。在不同的層面上都會有所需求。只有適合當地實際需求、質量上乘的機組，才會受到用戶的青睞。廠家在確定技術路線時要看準方向，將有限的資金用到最當用的地方。

風電機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。為了適應風電場這樣特殊應用環(huán)境的需要，對齒輪箱的強度和精度都提出了極高的要求。整個制造過程都要處于極嚴格的控制之下，為此企業(yè)必須徹底改變舊的管理理念，對整個制造過程進行極嚴格的控制，包括原材料控制、熱處理和機加工的工藝銜接、精度提高、清潔度的控制等。齒輪箱裝配完成后，在工廠的試驗臺架上，通過施加額定負荷和一定比例的超載負荷，對齒輪箱的運轉、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的傳感器和測試儀器檢測，獲取參數值。在試驗中根據檢測信號的異常程度即可判斷運轉是否正常，產品各項技術指標是否滿足設計要求。

齒輪箱失效的主要形式是輪齒折斷和齒面點蝕、剝落等。除了自身的結構和設計制造因素外，機組的動力學結構和特殊的使用條件也會加速齒輪的失效進程。由于運轉中齒輪箱是變工況的，在齒輪受風載頻繁變化沖擊時，如果齒輪的微動磨損超過一般設計預期，往往使用2年至3 年就出現齒輪點蝕。這種失效與接觸精度和硬化表層物理冶金因素有關。對付點蝕，要保證齒輪的疲勞強度和加工精度，所有能用得上的措施都采用也不為過。這包括原材料控制、熱處理和機加工的協調、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，我國風電齒輪箱行業(yè)需要攻克一些關鍵課題，加強質量管理，健全配套體系。主要體現在幾個方面[3]。

3.1 提高產品設計水平

目前國內兆瓦級以上的機組大多是按引進技術開發(fā)的。由于國內外的氣候條件和環(huán)境不同，風電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造和安裝水平存在差異，大部分進口或國產齒輪箱都面臨早期損壞的問題。究其原因很多，其中設計落后是重要的一個。

風電齒輪箱是傳統風電機組傳動軸系中一個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而不承受其他附加載荷。實際上，風況的多變和機組的復雜變形，再加上機組在各種工況出現的載荷沖擊，給齒輪箱設計增添了不少不確定因素，加大了設計難度。

風電齒輪箱的優(yōu)化設計必須在機組軸系整體分析研究的基礎上進行。在機組整體設計之初，由于理論、經驗和使用條件等原因，很少對增速齒輪箱進行深入的分析研究。往往是在機組總體布局時留出一個空間，簡要地規(guī)定前后聯接及技術要求。所謂的“建模”，也只是在理想的條件下進行設想，與實際運轉狀況尚有較大距離。因此，企業(yè)應加強產品優(yōu)化設計的投入，創(chuàng)造條件深入細致地分析研究，提高設計水平。

除了完善原有傳統機型兆瓦級齒輪箱的結構性能外，還應關注混合驅動、速度補償型、功率分流型以及各種特殊傳動機型的進展，及時投入科研力量來支持技術創(chuàng)新。

3.2 建立研究開發(fā)平臺

機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，必須認真對待。風電齒輪箱研發(fā)涉及眾多領域，特別是一些基礎層面，需要從機組傳動系統設計、傳動原理、結構布置、材料、設備、工藝、潤滑、監(jiān)控等方面做大量的細致工作。目前國內還沒有哪個單位能夠全面承擔這樣艱苦繁雜的任務。原部屬研究院所為了生存，大部分精力都放在開發(fā)產品和獲取經濟效益上。大型企業(yè)雖然擁有較強的研發(fā)實力，但著眼點還是為企業(yè)開發(fā)產品以求生存。

研發(fā)所需的儀器設備以及試驗裝置昂貴。單臺設備動輒幾千萬，投資額度相當大。開發(fā)人員，特別是有資歷、經驗豐富的專家配備也相當困難。國家也不可能為之作大的投入。有鑒如此，建有國家級技術中心的大企業(yè)（包括整機和部件企業(yè)）應與專業(yè)院所合作，共同組成研發(fā)團隊，按照既定計劃，分步實施公關項目，各自承擔子課題，定期聚合討論研究。國家則重點投資建設國家級風電機組模擬試驗和開發(fā)平臺，為企業(yè)解決難題，同時完成基礎研究任務。

3.3 注重高可靠性，提高產品使用壽命

風電齒輪箱的關鍵技術應注重高可靠性和長壽命，加強大型風電齒輪箱及配套軸承設計制造技術方面的系統研究，積累現場運行經驗和基礎數據。由于運轉中齒輪箱是變工況的，頻繁受風速變化沖擊，機艙底座的變形使齒輪和軸承磨損加劇，超過齒輪箱結構設計中預期的邊界條件。如何解決輕量化和機構剛性、質量成本之間的矛盾，將精細設計貫徹始終，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)。

根據風電增速箱的特點，應組織力量進行可靠性分析，包括精心選取可靠性高的結構和對重要零部件及整機進行可靠性分析試驗。根據機組載荷譜對齒輪箱整機及其零部件的設計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進行極限強度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析、動力學分析等。除了采用傳統的設計計算方法外，還要采用模擬整機運行條件下進行零部件建模并結合試驗驗證方法。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系進行分析研究。分析噪聲產生成因，采取適當措施降低噪聲；研制出新的密封結構或裝置，合理設計布置軸系和輪系傳動機構，提高體系的剛度，避免發(fā)生共振。

目前國內尚沒有完善的風電齒輪箱專用設計軟件，國外介紹的軟件大多又是從汽車傳動或通用機械傳動轉化而來的，須經實踐驗證。軟件是設計制造的工具，工欲善其事，必先利其器。因此，針對我國風電產業(yè)的特點，綜合考慮自身因素，編制適合自己企業(yè)的專用軟件，是進一步指導生產實踐、促進風電產業(yè)發(fā)展的重要任務之一。

4 結語

要實現風電產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵在于自主創(chuàng)新。目前我國風電產業(yè)統一的自主創(chuàng)新平臺還沒有形成，促進風電產業(yè)鏈的整合和協調發(fā)展是整個產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)共同努力的目標。無論是上游單位或下游單位，都應服從這一戰(zhàn)略目標，為我國風電產業(yè)的健康發(fā)展承擔起自己的責任。

風電齒輪箱行業(yè)在整合的同時要與整機廠、科研機構、風電場等利益鏈緊密配合，強化科技支撐體系，促進自主創(chuàng)新，完善技術標準；加強人才培養(yǎng)和后續(xù)服務；加快統一、協調的設計試驗平臺建設，做到同步建設、科學發(fā)展，為我國風電產業(yè)的健康發(fā)展做出應有貢獻。

[1] 楊校生.風力發(fā)電技術與風電場工程[M].北京：化學工業(yè)出版社,2011(10).

[2] 宣安光.對風力發(fā)電機組機械傳動技術的探討[J].電氣制造,2010(3).

[3] 孔建勤，宣安光.我國風電齒輪箱行業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展中的問題與對策[J].風能, 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，主要研究方向為風力發(fā)電機組齒輪傳動裝置設計與制造。