风电小行星齿轮箱模块化探讨

摘要：通过对国内风电小行星齿轮箱开发过程现状进行分析，对比国外同等产品的开发经验，探讨模块化开发对进一步提升产品制造竞争力的必要性。

关键词：风电小行星;模块化;生产运营;标准化;拉动

0    引言

20世纪中至本世纪初，国内的齿轮箱技术和制造在起步后飞速发展，齿轮箱的开发水平迅速提升并达到国外先进水平。但本世纪以来，随着全球化推进和国内竞争日趋激烈，国内齿轮箱产品逐渐面临同质化、生产成本提高、竞争优势不明显等问题。这就需要我们再次寻找对手的优势，学以致用。本文旨在从国内外产品开发中模块化的特点入手，简要分析我们该如何通过学习实现赶超。

1    国内风电小行星齿轮箱现状

小行星齿轮箱是低转速、高扭矩传动领域普遍采用的传动形式，主要由一级到多级行星传动结构串联（一级输出是下一级输入）组成（图1）。风电小行星齿轮箱通常是由三至五级行星传动组成，其能够将电机/马达的高转速、低扭矩转化成低转速、高扭矩，进而改变风机或叶片的方向。

改革开放以来，经过几十年的飞速发展，首先国内企业人工薪资水平水涨船高，人员成本红利逐渐丧失;其次中国企业的管理水平和体系日渐完善，这也使得管理成本日趋上升;另外，国外企业也纷纷把供应链甚至分公司建到中国，和我们分享国内的资源和成本优势。所有这些综合起来降低了制造的柔性，延长了供货周期，却提高了国外产品的利润率，最终导致国内产品成本优势下降，竞争优势渐失，甚至经常出现进口产品比国内产品价格更低的窘境。

国内企业在开发小行星齿轮箱时，通常拿到的是主机厂和国外竞争对手确定好的齿轮箱外形图和技术规范。齿轮箱的设计过程中优先要考虑的是参数、外形结构等需符合客户现有机型要求。国内前些年风电行业遍地开花，有多达几十个主机厂，每个主机厂又有从1.5 MW到7 MW的不同平台和不同叶轮直径的产品，而每种产品多半已经选择了国外不同供应商的小行星齿轮箱。这就给国产化设计带来了更多的特殊设计、非标化设计要求，甚至在当时还形成了齿轮箱公司津津乐道的定制化设计（Tailored Design）。设计种类繁多导致工艺繁多，不利于降低制造成本。有些产品批量大还好，更多的是一套产品设计、制造、试验验证下来后只生产了样机或几十台小批量客户就又升级或改型了。这不仅不利于产品制造过程能力的稳定提升，也不利于工厂的运营效率提升和运营成本优化。

这都应该引起我们的重视和思考，国内企业有必要将自身和国外竞争对手重新放在一起比较各自的优缺点。当我们抛开质量因素，对比双方的开发模式时，我们发现了一些本质的区别，以下先阐述国外对手的特点。

2    西方同类产品开发特点

西方知名的小行星制造商从早期的Flender、Bosch、SEW、Liebherr、Zollern到现在的Bonfiglioli、Comer、Brevini、Rossi等都是几十年甚至上百年的齿轮箱制造企业，其基本信息如表1所示。

这些企业在20世纪或更早就已经在工业行业活跃并积累了很多经验。仔细分析它们的产品就会发现，齿轮参数、外形尺寸等有比较固定的数值。比如每一级的齿圈外径、齿轮参数、安装螺孔的孔径和分度圆，在不同的平台甚至在不同的客户方的产品上呈现相近或相同的数值。同一厂商的风电齿轮箱和工业产品上的齿轮箱有一致的规格参数。这说明它们已经形成了模块化开发，齿轮箱的每个部件都有固定的设计库和参数库，设计时可以直接从库中选取拼接。

风电行业是在最近二三十年才出现并迅速发展的，风电小行星齿轮箱是在常规工业发展的基础上拓展出来的新应用领域，所以齿轮箱只是应风电的特殊安全和安装要求修改了部分参数和接口而已。风电小行星齿轮箱更是如此，它们是直接在工业回传支撑齿轮箱的基础上改进的，其每一级的齿轮参数和尺寸完全统一。这种通用化、模块化的生产模式的一系列优点现在逐渐显现出来了：降低新品开发成本，缩短开发时间，减少不必要的重复验证内容等。由前述分析可知，国内的齿轮箱开发过程变动随意，而按国际标准IEC 61400及ISO 9000的要求，关键零部件变更都要按新品要求重新进行设计、制造验证。

3    解决措施

国内小行星齿轮箱制造形成现在的局面有其客观原因。由于风电行业可靠性要求高，国内主机厂刚开始（样机）还都是选择表1中的进口齿轮箱，价格昂贵。在国产化和提升价格优势的趋势下国内主機厂不得不寻求齿轮箱等部件国产化，但此时齿轮箱外形尺寸和接口已经确定，国内供应商只能在此限制下进行设计，这就造成了针对各主机厂、同主机厂不同平台的齿轮箱非标设计。所以要实现模块化，国内的齿轮箱制造厂必须跑在前头，即在主机厂新产品开发时就开始双方合作，共同结合齿轮厂商的平台确定齿轮箱的最终型号和接口。

其次，齿轮厂商在开发前期要有充分的模块化开发准备，形成完善的开发流程，梳理现有产品的产品族。必要时所有参数的开发要优先考虑标准化和公司模块化要求，让主机厂接口设计适应齿轮箱设计。从最优化设计来看，齿轮箱的部分部件可能设计过于富裕，但从规模效应评价，产品更加统一、产量更大，获得的成本优势更大。比如，同一种轴承使用量大了，供应商可以大幅降低价格;零件尺寸类别少了，需要的机床设备也就少了。

最后，工艺把关。从产品制造使用的设备、刀具、工装等入手，实现刀具标准化、夹具标准化、机床设备标准化等，将这些要求形成规范文件。工厂投入少了，设备使用率提高了，运营成本必定下降。

4    结语

综上所述，模块化显而易见是当下解救国内企业的良药。形成模块化以后，生产就不是严格按产品排产，而是将产品打散成部件族，继而再打散成零件族。生产运营可以结合市场预测、在手订单和库存管理安排零部件排产，通过装配拉动和安全的库存管理调整零部件排产，最终实现设备利用率提升、制造运营成本降低、产品开发周期缩短，从而提升产品的市场竞争力。

企业经过了一段时间的发展后，限制其再进一步的已经不是资格级要素，而是订单级要素，是如何精益求精。面对国内的竞争，国外企业也开始用我们的方式思考，改变自己适应中国市场，它们可以通过价格策略把我们压得喘不过气来。因此，模块化是我们必须抓紧补上的功课！

[参考文献]

[1] Wind turbines—Part 4：Design requirements for wind turbine gearboxes： IEC 61400-4： 2012[S].

[2] Calculation of load capacity of spur and helical gears—Part 5：Strength and quality of materials：ISO 6336-5：2016[S].

[3] JACOBS F R，CHASE R B.运营管理[M].任建标，译.北京：机械工业出版社，2011.

收稿日期：2020-07-09

作者简介：凡晶梅（1986—），女，河南人，工程师，南京高精传动设备集团有限公司工艺主管，研究方向：风电小行星齿轮箱制造工艺优化和成本优化。