国内风电齿轮箱产业现况和发展建议

宣安光

（杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，杭州 311203）

国内风电齿轮箱产业现况和发展建议

宣安光

（杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，杭州 311203）

面对风电产业产能过剩、市场竞争激烈的困境，齿轮箱企业应抓住机遇，做好转型调整，与整机企业一同强化科技支撑体系，打好基础，促进产业健康发展。

风电机组齿轮箱；产品研发；可靠性

0 前言

我国风电业经历过井喷式发展和高速投资扩张后，产业形势并不乐观，产能过剩、设备利用率低下、债务缠身使某些企业陷入亏损漩涡。不管是整机厂还是零部件厂，均面临这一尴尬的局面。但是，面对资源短缺和环境保护的巨大压力，国家加快发展可再生能源的政策不会改变，政府将出台多项措施，帮助企业逐步走出困境。机遇和挑战并存，这给行业带来希望。风电整机和零部件产业都必须严控产能非理性扩张，进行必要的整合，做好转型升级，练好内功，为今后长期健康发展创造条件[1]。

1 齿轮箱是风电机组关键部件的薄弱环节

机组传动系统是一个复杂的应力多变的系统，不单只是系统中的传动机械，包括机座支架、机舱布置、风轮结构、电气系统和控制方式等，相互关联，相互影响。任何一个环节有问题都可能使机组无法正常运转。齿轮箱在传统风电机组中用于风轮与发电机之间传递动力和增速，是风电机组的关键部件，承受着来自风轮变化多端的载荷和发电机电网一方的冲击，也是机组中的薄弱环节。

风力发电设备多安装在荒郊野外，并支撑在近百米的塔架上。恶劣的工作环境和高昂的安装维护成本为一般工业设备无法比拟。如果风电齿轮箱发生内部故障，在机舱内基本上无法处理，需出动数百吨级的吊车，进行产品调换，维护成本也随之大幅度提高。企业会因此耗掉很多成本。因此，对机组零部件的质量要求近乎苛刻，任何细小问题都不能掉以轻心。企业为此加大了资金的投入，动辄上亿或数亿的技改设备购置让企业不堪重负，再加上需要大量高级技术人才和工业化的基础，非一般企业所能承受。这使得前些年争相进入风电领域的一些企业压力巨大。

零部件企业不断扩大产能为整机企业需求配套；另一方面，又要不断开发新的机型，满足机组常年更新的要求。产品的更新和成型须要经历一定的程序，得到用户的认可周期更长。因此，风电设备零部件市场始终存在着发展不平衡的状况。

目前我国大多数风电机组是以引进欧洲技术或是以产品生产许可证方式进行的，从国外引进的只是风力发电机组的集成技术，并不包括像齿轮箱、电机等具体部件的设计制造技术。风电齿轮箱设计则是参照引进技术中的齿轮箱采购规范并参照国外样机进行的，齿轮箱的结构和联接尺寸多数按国外机组要求进行类比设计。由于机组的形式多种多样，企业即使引进了某一项技术，也无法满足众多整机用户的需要。

2 各种机型并存发展

以市场商用机组的份额来看，未来若干年，具有齿轮传动的双馈机组仍然是主流。这种传统的机型注重高功率密度设计，具有多年运转经验，稳定性较好。另一方面，直驱型机组和混合传动机组将按一定比例逐年递增，市场份额逐渐增长。直驱型机组取消齿轮箱后，缩短了传动链，简化了机舱结构，降低了精密机械传动的故障风险。但直驱型机组的低功率密度设计造成发电机体积庞大，运输吊装困难，难以适应特殊条件的需要。发电机的尺寸加大，对零部件供应商的制造能力也是一个挑战，近年来稀土金属不断涨价也给永磁电机制造增加了障碍[2]。

为了减小机组尺寸，采取的一种折衷方法是仍然采用增加齿轮传动的方式，即所谓的半直驱、混合驱动或紧凑型的机组等。尽量采用紧凑发电机结构，齿轮箱速比的减小对延长机组寿命也有利。

将齿轮箱与机架底座做成一体，或省去主轴，将齿轮箱挂在巨大的轴承上。这些措施也能够节省机舱体积，缩短传动链。但这种情况下，昂贵的轴承既要承受轴向力、径向力，又要承受风轮的颠覆力矩，会带来新的故障风险。

海上风电是具有重大挑战性的项目，涉及更大容量风电机组的设计、制造、运输、安装和维护。对齿轮箱而言，对稳定可靠性要求更高。除了陆上机组的要求外，更增加了抗海啸风暴、防海水水雾腐蚀以及绝缘等特殊要求。

今后各种机型将并存发展，都需不断取得技术突破，来弥补自身薄弱环节。

各种不同容量不同形式的风电机组适应不同国家和地区，机组容量不宜一味求大。在不同的层面上都会有所需求。只有适合当地实际需求、质量上乘的机组，才会受到用户的青睐。厂家在确定技术路线时要看准方向，将有限的资金用到最当用的地方。

风电机组对齿轮箱要求很高：体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、维修方便等。为了适应风电场这样特殊应用环境的需要，对齿轮箱的强度和精度都提出了极高的要求。整个制造过程都要处于极严格的控制之下，为此企业必须彻底改变旧的管理理念，对整个制造过程进行极严格的控制，包括原材料控制、热处理和机加工的工艺衔接、精度提高、清洁度的控制等。齿轮箱装配完成后，在工厂的试验台架上，通过施加额定负荷和一定比例的超载负荷，对齿轮箱的运转、噪声、温度、速度、振动、润滑、齿轮和轴承的工作状态等完成一系列的测试。在重要部位安装相应的传感器和测试仪器检测，获取参数值。在试验中根据检测信号的异常程度即可判断运转是否正常，产品各项技术指标是否满足设计要求。

齿轮箱失效的主要形式是轮齿折断和齿面点蚀、剥落等。除了自身的结构和设计制造因素外，机组的动力学结构和特殊的使用条件也会加速齿轮的失效进程。由于运转中齿轮箱是变工况的，在齿轮受风载频繁变化冲击时，如果齿轮的微动磨损超过一般设计预期，往往使用2年至3 年就出现齿轮点蚀。这种失效与接触精度和硬化表层物理冶金因素有关。对付点蚀，要保证齿轮的疲劳强度和加工精度，所有能用得上的措施都采用也不为过。这包括原材料控制、热处理和机加工的协调、齿面精度和粗糙度的提高、烧伤的控制等。

3 需要攻克的重要课题

未来几年，我国风电齿轮箱行业需要攻克一些关键课题，加强质量管理，健全配套体系。主要体现在几个方面[3]。

3.1 提高产品设计水平

目前国内兆瓦级以上的机组大多是按引进技术开发的。由于国内外的气候条件和环境不同，风电场使用保养水平、原材料以及制造和安装水平存在差异，大部分进口或国产齿轮箱都面临早期损坏的问题。究其原因很多，其中设计落后是重要的一个。

风电齿轮箱是传统风电机组传动轴系中一个最重要而又是最脆弱的部件。理想的情况是让齿轮箱完成传递扭矩和增速的任务而不承受其他附加载荷。实际上，风况的多变和机组的复杂变形，再加上机组在各种工况出现的载荷冲击，给齿轮箱设计增添了不少不确定因素，加大了设计难度。

风电齿轮箱的优化设计必须在机组轴系整体分析研究的基础上进行。在机组整体设计之初，由于理论、经验和使用条件等原因，很少对增速齿轮箱进行深入的分析研究。往往是在机组总体布局时留出一个空间，简要地规定前后联接及技术要求。所谓的“建模”，也只是在理想的条件下进行设想，与实际运转状况尚有较大距离。因此，企业应加强产品优化设计的投入，创造条件深入细致地分析研究，提高设计水平。

除了完善原有传统机型兆瓦级齿轮箱的结构性能外，还应关注混合驱动、速度补偿型、功率分流型以及各种特殊传动机型的进展，及时投入科研力量来支持技术创新。

3.2 建立研究开发平台

机组制造与部件制造如何开展研究、如何分工衔接是必然会碰到的难题，必须认真对待。风电齿轮箱研发涉及众多领域，特别是一些基础层面，需要从机组传动系统设计、传动原理、结构布置、材料、设备、工艺、润滑、监控等方面做大量的细致工作。目前国内还没有哪个单位能够全面承担这样艰苦繁杂的任务。原部属研究院所为了生存，大部分精力都放在开发产品和获取经济效益上。大型企业虽然拥有较强的研发实力，但着眼点还是为企业开发产品以求生存。

研发所需的仪器设备以及试验装置昂贵。单台设备动辄几千万，投资额度相当大。开发人员，特别是有资历、经验丰富的专家配备也相当困难。国家也不可能为之作大的投入。有鉴如此，建有国家级技术中心的大企业（包括整机和部件企业）应与专业院所合作，共同组成研发团队，按照既定计划，分步实施公关项目，各自承担子课题，定期聚合讨论研究。国家则重点投资建设国家级风电机组模拟试验和开发平台，为企业解决难题，同时完成基础研究任务。

3.3 注重高可靠性，提高产品使用寿命

风电齿轮箱的关键技术应注重高可靠性和长寿命，加强大型风电齿轮箱及配套轴承设计制造技术方面的系统研究，积累现场运行经验和基础数据。由于运转中齿轮箱是变工况的，频繁受风速变化冲击，机舱底座的变形使齿轮和轴承磨损加剧，超过齿轮箱结构设计中预期的边界条件。如何解决轻量化和机构刚性、质量成本之间的矛盾，将精细设计贯彻始终，攻克早期失效、密封、漏油、噪声等老大难问题，都是不可忽视的重要环节。

根据风电增速箱的特点，应组织力量进行可靠性分析，包括精心选取可靠性高的结构和对重要零部件及整机进行可靠性分析试验。根据机组载荷谱对齿轮箱整机及其零部件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。除了采用传统的设计计算方法外，还要采用模拟整机运行条件下进行零部件建模并结合试验验证方法。另外，对行星齿轮传动均载、最佳传动组合与齿轮加工精度、工况和效率之间的关系进行分析研究。分析噪声产生成因，采取适当措施降低噪声；研制出新的密封结构或装置，合理设计布置轴系和轮系传动机构，提高体系的刚度，避免发生共振。

目前国内尚没有完善的风电齿轮箱专用设计软件，国外介绍的软件大多又是从汽车传动或通用机械传动转化而来的，须经实践验证。软件是设计制造的工具，工欲善其事，必先利其器。因此，针对我国风电产业的特点，综合考虑自身因素，编制适合自己企业的专用软件，是进一步指导生产实践、促进风电产业发展的重要任务之一。

4 结语

要实现风电产业可持续发展的关键在于自主创新。目前我国风电产业统一的自主创新平台还没有形成，促进风电产业链的整合和协调发展是整个产业链各个环节共同努力的目标。无论是上游单位或下游单位，都应服从这一战略目标，为我国风电产业的健康发展承担起自己的责任。

风电齿轮箱行业在整合的同时要与整机厂、科研机构、风电场等利益链紧密配合，强化科技支撑体系，促进自主创新，完善技术标准；加强人才培养和后续服务；加快统一、协调的设计试验平台建设，做到同步建设、科学发展，为我国风电产业的健康发展做出应有贡献。

[1] 杨校生.风力发电技术与风电场工程[M].北京：化学工业出版社,2011(10).

[2] 宣安光.对风力发电机组机械传动技术的探讨[J].电气制造,2010(3).

[3] 孔建勤，宣安光.我国风电齿轮箱行业自主创新发展中的问题与对策[J].风能, 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，教授级高级工程师，主要研究方向为风力发电机组齿轮传动装置设计与制造。