摘要：随着能源短缺和生态环境的日益恶化，新能源发电技术在世界范围内取得了长足的进步。风能是一种清洁的可再生能源，随着风力发电技术的日趋成熟和风电成本的逐渐降低，风电装备产业高速发展且前景广阔。风电齿轮箱作为风力机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。基于此，本文主要对风电齿轮箱发展及技术进行分析探讨。
关键词：风电齿轮箱；发展；技术分析
1、前言
风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处，发电机、齿轮箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距地面几十米高。常年受酷暑严寒和极端温差的影响，工作环境恶劣。据世界风力发电网数据，风电系统的失效率12%来自齿轮箱的失效。大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因，一般其损失要占风电设备总价的15%~20%。
2、风电齿轮箱发展现状
我国从进入风电市场以来，从开始的 1.5 MW风电齿轮箱发展到现在的 6 MW 风电齿轮箱，随着发电年限的增加，1.5 MW 风电齿轮箱逐渐进入维修阶段；目前主流机型开发为 2 MW、2.5 MW、3 MW风电增速齿轮箱。近两年，随着风资源的利用率增加，国内可供开发利用的优良风资源日益减少，这就导致了风电主机厂倾向于开发低风速大叶片的 2 ~3 MW风机。目前 2 MW 最大的叶片已达到 121 m，2.5 MW大叶片达到 133 m，3 MW 大叶片达到 140 m。除此之外，国内已经有一部分整机厂发展 5 MW 以上的海上风力发电机，我国沿海地区风力资源丰富，并且随着国家的重视和产业的逐步成熟，中国的海上风电将向健康和规模化方向发展，并逐步呈现良好的发展势头。
2.1 旧机型 1.5 MW 风力发电齿轮箱
随着发电年限增加，1.5 MW 风力发电齿轮箱逐渐进入维护阶段，风机质保期结束，运维市场被释放。风电整机安装的快速增长必然会导致设备维护量的增加，尤其是在初期风机制造技术不成熟的情况下投入运行的风电机组，其维护任务更重。国内风电大规模发展已近十年，随着风机投入年限的增加，有越来越多的增速齿轮箱出现故障，运维市场会越来越大。
除了风机脱离质保期，释放运维市场外，随着优质风资源的减少，为了更有效地利用有限的良好风区，风机以新换旧将成为风电发展的必然。由于老化风机出现重大事故的概率正在增加，发电量逐步下降，设备的技术性能也不能满足电网的要求，国内将会出现一批小型风电机组下线，由目前成熟的风电机组代替，这就意味着整机厂商和各部件厂商在市场中还有新的增长点。
2.2 低风速大叶片风电齿轮箱
随着中国风电项目的大规模开发，国内陆上可开发利用的优良风资源越来越少。大量未开发的地域大多属于Ⅱ类或Ⅲ类及以下的风区。目前国内有不少的整机厂家在生产大叶轮直径机组时，除加大叶轮直径外，机组其他部件的重量和强度并未提高，或者说低风速机型与其他同兆瓦的机型相比，只是叶片长度不同而已。因此，生产大叶轮机组与开发一种新机型相比成本可以大大降低，而且不用经过样机的挂机试验就可进行大批量生产，其开发时间也就大大缩短，但是，由此带来的机组和相关部件的寿命、强度问题以及隐藏的设计缺陷和安全隐患等问题，则需要引起重视。
3、技术发展路线
风电设备零部件的质量要求近乎苛刻，最直接的原因是风电设备恶劣的工作环境和高昂的安装成本。风电设备多安装在荒郊野外，并在近百米的高空作业，需出动数百吨级的吊车，一旦出现问题进行产品调换，企业的损失很大。风电机组对齿轮箱的质量要求更高，如果发生内部故障，在机舱内基本上无法处理，维护成本也随之大幅度增加。
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以市场商用机组的份额来看，未来若干年仍然以齿轮传动双馈电机机组为主。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，各种传动形式，例如直驱型机组和混合传动机组将逐年按一定比例递增，挤占传统机组的份额。业内人士都在关注这方面的动态，及时调整投资规模和方向。
直驱机型取消齿轮箱后，故障率降低，但直驱机型的低功率密度设计造成发电机体积庞大，运输吊装困难。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，转型做大尺寸的直驱发电机未必顺利，不管是永磁低速电机或励磁低速电机，都存在大量的技术难题需要攻克。为了减小尺寸，行业内采取一种折衷的方法是仍然采用增加齿轮传动的方式，即所谓“半直驱”、“混合驱动”、“紧凑型”的机组以及“高速永磁型”等等，尽量采用紧凑发电机结构。
4、未来重点工作领域
4.1 风电齿轮箱的优化设计
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。由于理论、经验和条件等原因，目前很少有人结合整机设计进行风电齿轮箱的分析和研究，仅在总体布置时留出一个空间，简单的规定前后联接要求而已。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。机组制造与部件制造如何开展研究，如何分工衔接是必定要碰到的难题，必须认真对待。 再者，不同地区气候不同，风电齿轮箱的工况也不同，不可照搬一种模式。
4.2制造环节的严格质量管理
制造工艺方面应加强材料、热处理及加工的研究。国内外齿轮材料的主要区别在于原材料纯净度和和淬透性带宽的控制，齿轮的承载能力是由外部条件如承载方式（风力特点）和内部条件如齿轮的材料处理和工艺过程（制造水平）决定的，因此，国产化齿轮箱必须适应我国的实际使用条件，齿轮的设计、计算过程中依据我国的实际制造、管理水平适当放些裕度，再逐步向国际水平靠拢，通过精心组织齿轮箱的结构与工艺设计，特别要注重冷热工艺过程的协调和衔接，采取严格的质量控制措施来达到预订的要求。
另外，风电齿轮应充分注意增速传动与减速传动的区别，变位系数的选择应有利于降低滑差率，应根据载荷情况作必要的齿形和齿向修正，外齿轮均采用渗碳淬火和磨齿工艺，材料热处理等级不低于 MQ，齿轮精度不低于 5 级 ；内齿轮采用相同的渗碳工艺或氮化工艺，精度也不应低于 6级。要采取一切措施减小热处理变形，防止磨削烧伤、裂纹等缺陷。
4.3配套产业要跟上行业发展要求
与齿轮箱配套的轴承、联接件、润滑、检测等行业也必须同步发展，这些配套技术也会在许多层面上促进或制约前者的发展。齿轮箱的润滑系统对齿轮箱的正常工作具有十分重要的意义，大型风电齿轮箱必须配备可靠的强制润滑系统，对齿轮啮合区、轴承等进行强制润滑。在齿轮箱失效的原因中，润滑是非常重要的因素。齿轮、轴承润滑不充分，造成齿轮箱高温停机，齿面、轴承滚道磨损等现象。要加强对高性能润滑油的研究，提高润滑油的质量，必须具有极好的低温流动性和高温稳定性。
风电齿轮箱作为风电系统的重要组成部分，其振动状态直接影响风力机的运行性能。因而研究风电齿轮箱的振动状态，优化测点布置并对其进行状态监测，对保证机组的稳定运行具有重要意义。
5、结语
国内风电齿轮箱的发展前景广阔，但起步晚，技术落后，机遇与挑战并存。对于企业来说，龙头企业要在技术和质量上加大力度，不可一味追求高产能、低成本，让国内风电齿轮箱行业陷入低端恶性竞争。
参考文献
[1]刘忠明，段守敏，王长路.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望[J].机械传动，2006(3):1-6.
[2]刘贤焕，叶仲和.大型风力发电机组用齿轮箱优化设计及方案分析[J].机械设计与研究，2006(1):2932.
论文作者:徐栋
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
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