重慶齒輪箱有限責任公司技術中心副主任/風電事業部副總經理呂和生在嘉賓演講環節發表了題為《大功率海上風力發電機組齒輪箱高可靠性、高可維性的技術提升探索》的演講：

 

　　針對這次海上的主題，我們提出了對大功率的海上機組齒輪箱比較關注的高可靠性、高可維性這個技術方面跟各位專家和各位領導做一些分享。主要有以下四個方面：

 

　　對于海上風電來講應該說現在每一年中國的海上風電裝機量逐漸都會超過一個GW，這對我們海上風電來說是一個好的發展機會。與此同時我們回顧海上風電的歷程，從2012年開始在海上風電開始裝機到現在為止時間也比較短，相對于歐洲來講從2GW或者從1-5GW海上風電機組來相比是一個非常短暫的時間，在這么短暫的時間內確保齒輪箱大家關注的高可靠和高可維性的技術就擺在了我們面前。

 

　　比如說特別是我們的維護成本。我記得在2016年做江蘇如東項目的時候項目經理就曾經非常直接的跟我講，如果你是安裝廠在你的機位旁邊，可能調一下需要兩三百萬，如果要新租一個安裝廠過來可能八百萬起價，有可能上千萬的費用。所以高可維性必須保證高可靠。

 

　　與此同時海上風電可能陸陸續續也會受到陸上風電的影響，這是一個大家不可逆的趨勢，怎么來適應海上風電電價的下降，與此同時大家對海上風電也有更高的一個期望，我們設計標準已經從陸上的20年提高到25年，對于齒輪箱來講要有更高的設計期望，可能設計值要有更高的理想，可能接近30年這樣的趨勢來發展。中國海上風電的發展因為有快步高起點的過程，從最開始的3.6到現在的4，然后4.5到現在開始批量裝機的5兆瓦，這塊快速發展也使得齒輪箱具有高可靠和高可維性的要求。

 

　　下面我就具體來進行展開：

 

　　1、齒輪箱的發展趨勢，有三種，在5兆瓦及以下產品由常規的一級行星+兩級平行、兩級行星+一級平行，一種集成式結構，中速半直驅的方案，都在快速進入了樣機裝機到小批量的裝機。

 

　　2、可靠性方面，現在來講在風電齒輪箱的設計場景當中我們可能會現在已經充分利用到了TS16949在可靠性分析，但是怎么系統性建立可靠性？跟整個機組來做匹配，所以說還要在設計和分析基礎上進一步豐富我的內容，可靠性后面要進行故障數據的閉環，進一步提升來優化可靠性的模型。使得大家比較關注海上環境適應性的問題、可用性問題、可維護性的問題得到進一步的解決。

 

　　現在整個設計當中我們會在計算的基礎之上基于各種紀要標準或者ISO的標準完成整個基礎設計，在設計完基礎之后會有二維和三維的同步模型，在基礎之上我們會看到基于分析，然后會基于考慮整機齒輪箱或者是包括主軸在內的齒輪箱的整機傳動鏈的主要部件的一個模型，我們用Masta也好，用Romax也好，對整機的相關模態，相關的疲勞，充分的利用這些軟件進行可靠性分析。通過這幾年大力的發展，應該國內相關齒輪箱這個行業，大家都可以做到這樣一個水準和要求。

 

　　這就是在做的過程當中一些它的應力需求，一些疲勞的響應，一些動態響應的過程以及包括整個機組傳電鏈系統當中響應，怎么避免和計算都會做這樣一些處理。然后在齒輪箱基于內部來講有主要的幾個關鍵的部件，一是齒輪的部件，所以說我們更會考慮實際載荷下的齒形的優化，基于齒形的優化得到齒面應力狀態，齒寬和齒高方向怎么解決齒面裂的問題，這幾個方面的解決就是主要解決可靠性的問題。這是設計分析的。

 

　　還有比較支撐件，就是軸承的問題，現在齒輪箱廠不僅是要求跟軸承廠要緊密配合，不僅要給出他的壽命評估之外，還要進一步關注在軸承，比如在軸的受扭矩和彎矩情況下，軸承的滾齒是不是能適應整個軸自身狀態的問題，是不是有邊緣效應的問題。

 

　　另外在實際運行當中就是齒輪潤滑的問題，潤滑好齒輪箱才能用的更好，所以在整個過程當中我們還要進一步建立各個潤滑點的基于系統的模型分析，不僅要建立數學模型，下一步還要建立基于流程的，這個系統相對來說是比較復雜的一種模型，是現在行業當中我們仍然測不準和算不準的一個問題，所以希望通過各種軟件綜合也好，或者用云計算的一個大的計算平臺也好，來解決齒輪箱當中的一些潤滑方面的事情。

 

　　剛才講到的是分析的一個問題，怎么來測試？首先齒輪箱在測試的時候有對每個齒輪的齒根，包括其他方面在設計當中都會基于相應的對設計做比對，進一步優化模型，同時優化齒輪的齒形。

 

　　舉個案例，在高可靠的情況下齒輪箱會從三分流變成四分流進一步到五分流，傳動當中就要求進一步有多向均載的要求。另外我這個地方列的是5分流的8兆瓦的測試分流。從測試情況來看，在輪間均載在1點零幾，所以隨著我們國家對設備精度的保證，實際上我們的很多設計很多精度都可以得到比較好的保證，這也是為什么大家通過基礎建設的發展可以把這些技術充分利用起來。

 

　　另外一塊是現在正在推崇的全壽命周期的加速疲勞試驗測試，這塊測試內容對工廠來講耗費投資是比較大的，現在國內大概在5-7兆瓦這個機組，加速疲勞來講我們至少都要1.5倍，要1.75倍，更大的可能要2倍的加速疲勞，如果按照7兆瓦的話，可能現有的試驗臺要做到16-20兆瓦，更大的可能要到26兆瓦這樣一個高投入的驗證的東西在里面，這也是在逐漸的包括我們其他廠家也在陸續的為了配套大功率的要求來逐漸的拓展整個的試驗臺的匹配能力。

 

　　還有一個是結構優化上面也是一個逐漸變化的過程，這個地方列出的是軸承方面的介紹，軸承是做陸上風電的時候也是陸陸續續的還有些其他的軸承，現在逐漸的還要用更高的軸承，圓柱軸承、球軸承、還有表面工藝等等都在逐漸推廣應用。從結構上來講由單軸承變成雙軸承，從上軸承變成無外圈軸承，從無外圈軸承到圓錐軸承，所以這一步發展也是整個風電為了高可靠的方面也是在不停地進步和發展，與此同時對設計和制造提出了更高的要求。

 

　　這個是很多在推崇利用柔性箱的結構，與此同時我們也要充分考慮齒輪箱的可靠性和成本，怎么保證20年或者25年可靠的運行。

 

　　今天這個主題還有一個名字是叫可維性技術，可維性技術有兩級行星+平行，行星在天上是無法維修的，為了保證可維性技術，基于常規的或者基于平行級的分流和匯流的結構，這種結構可以可以形成技術，用這種技術可以大大減少風電，特別是海上風電這種發展，這也是一種歐洲或者是我們國內在逐漸探索的一種結構流派。

 

　　另外一塊是在未來適應整個機組逐漸的升級換代，所以我們也是推出了平臺化，跟整個機組提升功率，怎么滿足這樣的需求，所以在齒輪箱設計的時候同樣考慮基于平臺化的發展。比如從5兆瓦可能會升級到6兆瓦，甚至升級到6.5，當初設計的時候要有余量的考慮，軸承的考慮，整個齒輪組件包括通件的考慮，這也是在設計當中希望主機廠和我們一起做好近兩三年或者近四年的規劃發展。

 

　　另外一塊大家關注的可能是在齒輪箱當中為了下一步的監控和數據的需要，為了運維的需要，在出廠的時候我們都會預留相應的溫度、壓力、振動，包括下一步的油液這一塊監控點的設置和配置，這也在整個行業當中這就是主要的一些產品應用的一個問題。

 

　　有了這些數據之后我們會通過有線也好，無線也好，跟主機廠希望一起實現數據的共享和運維的共同的斜響應，怎么利用共同的數據實現齒輪箱本地的遠程運維和本地的遠程預警，這對整個這個越來越大的保有量的裝機的基礎之上這是至關重要的。

 

　　接下來介紹可能在可靠性技術方面國內已經取得了哪方面的突破，一是多分流，多分流剛才介紹的是平行的分流這種樣機是很快就可以開展試驗，國內來講可能多分流的這種結構事實上國內已經在逐漸推廣和應用，包括柔性也在推廣和應用，這也是為了適應高空海上風電機組發展的需要。

 

　　二是我們做了一些產品，在2012年的時候開展了樣機，在2016年在樣機的基礎上做了優化，開始小批量的裝機，這是在小批量裝機的時候我們拿到實測風場的數據，這是基于5兆瓦的海裝的171的機型摘取的一些數據，從數據來看它的可利用率還是比較高的，98.67%，這是列舉了抗臺風期間整個發電量的一個情況。齒輪箱相關的數據溫度壓力都可以實時的進行監控，采取了振動監測，從振動監測來看數據非常好，上面是限制線13.5，實際上整個運作不超過12.6%，實際上這跟我們設計的預估值和評估值是比較接近的，進一步表現了整個機組的設計和臺架設計是比較一致的。

 

　　三是基于機組的概念，為了拓展整個的視野也會在設計過程當中跟其他的歐美大的設計公司，在最初完成設計的時候他們都會來參與我們這個齒輪箱的研發過程的一些評價，不僅僅是在認證的時候來參與這些過程。所以通過這樣的參與使我們具有了真正的一個國際視野，可以了解到歐洲當前產品的使用狀況和技術水準。

 

　　對于下一步來講我們怎么來做這個產品，我們還有一些設想，這個地方就跟各位專家做一個匯報。

 

　　一是原材料和熱處理控制，原材料處理現在除了我們常規的碳酸之外我們會進一步提高碳酸相應的靈敏度。二是推出新的更加緊湊的人字齒的設計，使得更加緊湊，存在年限更高。三是突破常規的思想理念，下一步要嘗試做一些試驗認證新的齒形的應用，這種齒形具有更高的傳動效果。這是我們在做試驗的時候相關的一些數據，我們拿過來做國內的齒輪，現在了購買德國對標的齒輪，軟齒面對構齒輪的傳動效率可達98.87%。四是新工藝應用，在強化當中我們會進一步來用光子，光子效率不高，對整個振動、疲勞，接觸應力都有比較大的改善，這一塊大家都在逐漸推廣和應用，這也是大家比較關注的點。五是滑動軸承的應用，主軸推廣在逐漸適用滑動軸承，所以這個要解決滑動軸承當中的不僅是高碧雅多問題，還要解決靜態的頻繁啟動，這種異常工況下對滑動軸承磨損的問題，所以這些都要進一步進行研究和解決的。六是智能軸承，國內廠家和國內研究所也在逐漸認識到智能軸承的概念，它在軸承技術上自身有更好的一個溫度檢測，振動相關一致性檢測，不是說現在一個常規傳感器的檢測，使得整個軸承在試運行當中狀態可以更加清晰的呈現在大家面前。七是模擬載荷譜加載試驗，國家正在大力建設多自由度加載的試驗臺，如果海上風電的風險這么大，希望我們在主機廠在內的各個廠家也會起來，包括我們希望齒輪箱也會在試驗臺上充分的進行一個模擬葉片，以及整個波動的風場加載的情況下，使得整個齒輪箱在設計當中可以得到更好的設計評估和驗證。

 

　　（發言整理自現場速記，未經本人審核）