全壽命周期高性價比齒輪箱解決方案

廖明建，頡彧

（天津華建天恒傳動有限責任公司，天津 301800）

0 引言

目前，風(fēng)電場成本構(gòu)成主要包括兩個部分：一是風(fēng)電項目的一次性建設(shè)成本，二是風(fēng)電設(shè)備管理維護費用。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，業(yè)內(nèi)建設(shè)成本現(xiàn)已降至一個較低的水平，但因風(fēng)電機組核心部件質(zhì)量問題頻出，導(dǎo)致設(shè)備維護費用一直居高不下。齒輪箱作為風(fēng)電機組核心部件之一，其質(zhì)量的穩(wěn)定性直接影響到整個機組的平穩(wěn)運行。近年來，風(fēng)電機組齒輪箱主軸斷軸、齒輪打齒、漏油等問題頻出，嚴重影響了機組的正常運行并付出高昂的維護費用，大大增加了風(fēng)電場業(yè)主的度電成本，嚴重影響到風(fēng)電場業(yè)主的受益。造成目前行業(yè)內(nèi)“高成本、低價格、高維護”的全壽命周期高成本困局。

如圖1所示，目前國際上行業(yè)內(nèi)齒輪箱失效約占風(fēng)電機組整體失效比例的10.35%，失效比例排名第三，產(chǎn)生的經(jīng)濟損失卻排名第一，大幅領(lǐng)先于其他部件（WEC官網(wǎng)）。國外對齒輪箱的可靠性非常重視，但仍然有如此大比例的實效。而在國內(nèi)，由于缺乏技術(shù)等相關(guān)積累，齒輪箱在運行3年－5年后，失效率較國外水平高出一倍。高昂的故障處理費用使業(yè)主、整機廠家、齒輪箱廠家苦不堪言。如何提高齒輪箱全壽命周期收益，提升行業(yè)整體盈利水平，已成為行業(yè)內(nèi)的重要課題[1]。

1 原因分析

本文主要從技術(shù)及經(jīng)濟兩個角度分析造成齒輪箱失效比例較高的原因。從技術(shù)角度考量主要可歸為兩點：設(shè)計結(jié)構(gòu)缺陷和制造問題。

1.1 技術(shù)角度

1.1.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)缺陷

目前，齒輪箱行星傳動各部分平均失效率如下（摘自業(yè)內(nèi)權(quán)威專家調(diào)查報告）：

圖1 風(fēng)電機組主要部件所占失效比例（圖片來源： WEC(Word Energy Council)官網(wǎng)）

（1）內(nèi)齒圈破壞比例為12%。目前內(nèi)齒圈主要采用調(diào)質(zhì)工藝(硬度較低)、滲氮工藝（表面硬層較?。@兩種工藝成本較低，但內(nèi)齒圈耐磨性差，在長期磨損后容易造成失效，需要提高內(nèi)齒圈強度，增強耐磨性；

（2）太陽輪破壞比例平均為10.5%；

（3）行星輪破壞比例平均為19%。行星齒輪之所以破壞比例比較大，主要是作用在齒輪上的彎矩是正負交變（即交變載荷，約使疲勞強度降低30%），而其他齒輪則承受正常的變負荷。因此，行星齒輪疲勞折斷，齒局部產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷裂。需要有別于傳統(tǒng)行星結(jié)構(gòu)的領(lǐng)先設(shè)計技術(shù)解決交變載荷問題。

（4）行星輪軸承破壞比例平均為20%。傳統(tǒng)行星結(jié)構(gòu)行星輪軸承始終做衛(wèi)星運動，無法實現(xiàn)連續(xù)潤滑，無法保證軸承的健康運行，極容易造成失效。需要有別于傳動行星結(jié)構(gòu)的領(lǐng)先設(shè)計技術(shù)以便實現(xiàn)軸承連續(xù)潤滑[2]。

（5）平行軸齒輪破壞比例為7.5%。平行軸齒輪高速輕載，如設(shè)計安全余量較小，容易受到外部沖擊導(dǎo)致齒輪破壞。需要提高設(shè)計安全余度，以便抵御可能出現(xiàn)的瞬時沖擊。

1.1.2 制造問題

由于國內(nèi)發(fā)展大兆瓦風(fēng)電機組時間較短，缺乏經(jīng)驗積累，故大多采用國外先進技術(shù)，大多引自國外的專業(yè)設(shè)計公司，在擁有先進的設(shè)計技術(shù)的同時，制造、工藝能力卻缺乏積累，相對落后，導(dǎo)致制造能力無法滿足設(shè)計需要，難以實現(xiàn)設(shè)計目標。

另外，前期發(fā)展過程中過度注重產(chǎn)量，忽略了對質(zhì)量的嚴格要求。這也是目前故障率居高不下的一個重要原因。隨著目前行業(yè)成本壓力的不斷增大，勢必會有部分成本縮減在制造及質(zhì)量控制上（例如質(zhì)量控制人力的減少等）上，最終將影響產(chǎn)品品質(zhì)。

從技術(shù)角度出發(fā)，需要不斷加大技術(shù)及質(zhì)量控制投入力度，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量，前期投入略高卻可以達到降低產(chǎn)品故障率的目的。

1.2 經(jīng)濟角度

（1）機艙內(nèi)可維護故障。例如齒輪箱高速級損壞等。此類故障可在風(fēng)電機組上進行修復(fù)，此類故障單次修復(fù)費用需10萬元以上（主要體現(xiàn)為更換部件費用、人工費、損失發(fā)電量等）；

（2）機艙內(nèi)不可維護重大故障。例如軸承碎裂、低速級齒輪損壞等。此類故障無法在現(xiàn)場進行修復(fù)，必須用新齒輪箱進行現(xiàn)場更換。此類故障單次修復(fù)費用需200萬元（主要體現(xiàn)為吊裝費、運輸費、新齒輪箱費用、人工費、損失發(fā)電量等）。

對于風(fēng)電場業(yè)主而言，機組在出質(zhì)保期后出現(xiàn)一定數(shù)量的機艙內(nèi)可維護故障尚可接受，一旦出現(xiàn)較多的機艙內(nèi)不可維護故障，將嚴重影響到業(yè)主的年收益。

從經(jīng)濟角度出發(fā)，風(fēng)電場的收益是取決于整個20年周期內(nèi)的收益，選用低故障率的產(chǎn)品可大幅度減少后期維護產(chǎn)生的故障解決費用。最佳選擇已經(jīng)由一次性采購成本低的產(chǎn)品逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴少徏夹g(shù)領(lǐng)先、低故障率、全壽命周期高性價比的產(chǎn)品。

2 全壽命周期高性價比齒輪箱HTAS解決方案

實踐是檢驗設(shè)計的最佳途徑，德國RENK公司獨有的AEROGEAR技術(shù)采用內(nèi)齒圈驅(qū)動、行星架固定，行星齒輪采用雙聯(lián)齒輪的定軸式復(fù)合行星結(jié)構(gòu)，是RENK應(yīng)用軍工技術(shù)滿足風(fēng)電增速箱高可靠性要求的專利技術(shù)，已經(jīng)過市場充分的可靠性驗證，AEROGEAR結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

首先，2MW機型的上千臺齒輪箱自2000年起在歐洲市場已經(jīng)過10余年的大批量驗證，至今未發(fā)生機艙外維護故障。

其次，2006年起，開始批量生產(chǎn)5MW、6MW齒輪箱，并用于海上風(fēng)電，至今已經(jīng)過近10年的考驗，德國RENK公司是全球第一家實現(xiàn)此功率齒輪箱批量生產(chǎn)的廠家。

HTAS（High reliability Transmission Advance Standard）齒輪箱具有四大優(yōu)勢。

2.1 高可靠性

高可靠性齒輪箱首先要滿足技術(shù)領(lǐng)先，HTAS系統(tǒng)示意圖如圖3所示。HTAS齒輪箱相比傳統(tǒng)行星傳動結(jié)構(gòu)解決了以下幾點問題：

（1）內(nèi)齒圈采用滲碳淬火工藝，表面硬度達到58HRC－62HRC，淬硬層深度達3.5mm—4mm，加之獨特設(shè)計結(jié)構(gòu)帶來的齒圈應(yīng)力低優(yōu)勢，有效地解決了內(nèi)齒圈損壞問題，如圖4所示；

（2）行星齒輪無交變載荷、獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)使行星齒輪只承受正常的變負荷，使齒輪疲勞強度提高約30%，如圖5所示；

（3）所有軸承均實現(xiàn)定點潤滑，保證了所有軸承連續(xù)潤滑，良好運行，如圖2所示；

（4）秉承軍工產(chǎn)品理念，接觸應(yīng)力安全系數(shù)SH＞1.7，彎曲應(yīng)力安全系數(shù)SF＞2.2均大大領(lǐng)先行業(yè)平均水平，有效提高了齒輪抵御外部沖擊能力。

制造能力必須滿足設(shè)計要求，堅持“標準為制造的最低要求”的質(zhì)量理念，以HTAS質(zhì)量控制標準打造軍工品質(zhì)產(chǎn)品。

圖2 AEROGEAR結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 HTAS系統(tǒng)示意圖

圖4 滲碳淬火工藝的高強齒圈

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的齒輪箱比較，AEROGEAR主要技術(shù)優(yōu)勢如表1所示。

2.2 高效率

圖5 行星齒輪無交變載荷結(jié)構(gòu)示意圖

表1 AEROGEAR與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的齒輪箱技術(shù)優(yōu)勢對比

AEROGEAR技術(shù)獨特的結(jié)構(gòu)使傳動件數(shù)量達到了最大優(yōu)化，較傳統(tǒng)行星結(jié)構(gòu)（13個摩擦副）減少了6個摩擦副，大大降低了功率損耗，實際效率達到98%以上，較國內(nèi)同類產(chǎn)品高出1%—1.5%。效率的提升對于一個50MW的風(fēng)電場來說，全壽命周期直接發(fā)電收益達500萬元至700萬元。

2.3 機艙內(nèi)全維護

在降低齒輪箱故障率的同時，高維護性是降低齒輪箱后期維護成本的重要因素，傳統(tǒng)行星機構(gòu)齒輪箱只能在機艙內(nèi)解決高速級故障維修，一旦發(fā)生低速級故障只能返回地面維修。僅帶來的吊車費用就高達幾十萬元，加之更換件運輸?shù)仍斐蓹C組長時間停機，直接發(fā)電量損失達數(shù)十萬元。

2.4 動態(tài)監(jiān)控

齒輪箱很多失效發(fā)生前是有趨勢性的，并且很多部件在失效后對齒輪箱造成二次破壞，導(dǎo)致整臺齒輪箱徹底喪失利用價值。更換單一故障件成本大約在幾萬元至十幾萬元不等，一旦造成二次破壞更換整臺齒輪箱經(jīng)濟損失可達200萬元以上。

如果可以提前判斷故障的發(fā)生，提前更換故障件防止對齒輪箱的二次破壞，減少的經(jīng)濟損失是非常巨大的，只有對齒輪箱的現(xiàn)場運行狀態(tài)進行有效監(jiān)控，對其關(guān)鍵參數(shù)進行實時采集、定期分析，才能極大降低機艙內(nèi)不可維護故障的發(fā)生[3]。

3 結(jié)論

HTAS齒輪箱通過增加有限成本確保產(chǎn)品品質(zhì)，相對于傳統(tǒng)齒輪箱可以有效提高齒輪箱效率，增加發(fā)電收益；在機艙內(nèi)完成故障消除，降低巨大的設(shè)備維護費用。整個全壽命周期內(nèi)每臺每年可產(chǎn)生近10萬元的相對收益，一個50MW的風(fēng)電場全壽命周期可形成近3000萬元至4000萬元的相對收益。并在國內(nèi)率先提出了每年收取定額維護費承擔所有大故障風(fēng)險解決方案，提供齒輪箱全壽命周期內(nèi)高性價比解決方案[4]。

[1] 韓德海,等. 風(fēng)電機組變槳齒輪副側(cè)隙計算與分析[J].風(fēng)能,2012(2): 66—69.

[2] 姚小芹. 行星齒輪傳動失效的統(tǒng)計研究減少失效的可能性[R]. 2013.

[3] J.Hanna, C.Hatch, M.Kalb, 卞文狀. 風(fēng)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)對齒輪箱故障的檢測與診斷[J].風(fēng)能,2012( 7): 96-98.

[4] 于良峰, 趙登利, 吳樹梁. 風(fēng)電機組齒輪箱故障分析及改進措施[J].風(fēng)能,2012(10):86-89.