2018年11月14日上午，由中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會、中國電工技術(shù)學(xué)會風(fēng)力發(fā)電技術(shù)專業(yè)委員會、東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)主辦，江蘇中車電機(jī)有限公司承辦的第三屆中國海上風(fēng)電大會暨風(fēng)電電氣裝備高峰論壇在北京四川五糧液龍爪樹賓館隆重開幕。
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司技術(shù)中心副主任/風(fēng)電事業(yè)部副總經(jīng)理呂和生在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高可靠性、高可維性的技術(shù)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(jī)組齒輪箱比較關(guān)注的高可靠性、高可維性這個(gè)技術(shù)方面跟各位專家和各位領(lǐng)導(dǎo)做一些分享。主要有以下四個(gè)方面：
對于海上風(fēng)電來講應(yīng)該說現(xiàn)在每一年中國的海上風(fēng)電裝機(jī)量逐漸都會超過一個(gè)GW，這對我們海上風(fēng)電來說是一個(gè)好的發(fā)展機(jī)會。與此同時(shí)我們回顧海上風(fēng)電的歷程，從2012年開始在海上風(fēng)電開始裝機(jī)到現(xiàn)在為止時(shí)間也比較短，相對于歐洲來講從2GW或者從1-5GW海上風(fēng)電機(jī)組來相比是一個(gè)非常短暫的時(shí)間，在這么短暫的時(shí)間內(nèi)確保齒輪箱大家關(guān)注的高可靠和高可維性的技術(shù)就擺在了我們面前。
比如說特別是我們的維護(hù)成本。我記得在2016年做江蘇如東項(xiàng)目的時(shí)候項(xiàng)目經(jīng)理就曾經(jīng)非常直接的跟我講，如果你是安裝廠在你的機(jī)位旁邊，可能調(diào)一下需要兩三百萬，如果要新租一個(gè)安裝廠過來可能八百萬起價(jià)，有可能上千萬的費(fèi)用。所以高可維性必須保證高可靠。
與此同時(shí)海上風(fēng)電可能陸陸續(xù)續(xù)也會受到陸上風(fēng)電的影響，這是一個(gè)大家不可逆的趨勢，怎么來適應(yīng)海上風(fēng)電電價(jià)的下降，與此同時(shí)大家對海上風(fēng)電也有更高的一個(gè)期望，我們設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從陸上的20年提高到25年，對于齒輪箱來講要有更高的設(shè)計(jì)期望，可能設(shè)計(jì)值要有更高的理想，可能接近30年這樣的趨勢來發(fā)展。中國海上風(fēng)電的發(fā)展因?yàn)橛锌觳礁咂瘘c(diǎn)的過程，從最開始的3.6到現(xiàn)在的4，然后4.5到現(xiàn)在開始批量裝機(jī)的5兆瓦，這塊快速發(fā)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(jìn)行展開：
1、齒輪箱的發(fā)展趨勢，有三種，在5兆瓦及以下產(chǎn)品由常規(guī)的一級行星+兩級平行、兩級行星+一級平行，一種集成式結(jié)構(gòu)，中速半直驅(qū)的方案，都在快速進(jìn)入了樣機(jī)裝機(jī)到小批量的裝機(jī)。
2、可靠性方面，現(xiàn)在來講在風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)場景當(dāng)中我們可能會現(xiàn)在已經(jīng)充分利用到了TS16949在可靠性分析，但是怎么系統(tǒng)性建立可靠性？跟整個(gè)機(jī)組來做匹配，所以說還要在設(shè)計(jì)和分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富我的內(nèi)容，可靠性后面要進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的閉環(huán)，進(jìn)一步提升來優(yōu)化可靠性的模型。使得大家比較關(guān)注海上環(huán)境適應(yīng)性的問題、可用性問題、可維護(hù)性的問題得到進(jìn)一步的解決。
現(xiàn)在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中我們會在計(jì)算的基礎(chǔ)之上基于各種紀(jì)要標(biāo)準(zhǔn)或者ISO的標(biāo)準(zhǔn)完成整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完基礎(chǔ)之后會有二維和三維的同步模型，在基礎(chǔ)之上我們會看到基于分析，然后會基于考慮整機(jī)齒輪箱或者是包括主軸在內(nèi)的齒輪箱的整機(jī)傳動鏈的主要部件的一個(gè)模型，我們用Masta也好，用Romax也好，對整機(jī)的相關(guān)模態(tài)，相關(guān)的疲勞，充分的利用這些軟件進(jìn)行可靠性分析。通過這幾年大力的發(fā)展，應(yīng)該國內(nèi)相關(guān)齒輪箱這個(gè)行業(yè)，大家都可以做到這樣一個(gè)水準(zhǔn)和要求。
這就是在做的過程當(dāng)中一些它的應(yīng)力需求，一些疲勞的響應(yīng)，一些動態(tài)響應(yīng)的過程以及包括整個(gè)機(jī)組傳電鏈系統(tǒng)當(dāng)中響應(yīng)，怎么避免和計(jì)算都會做這樣一些處理。然后在齒輪箱基于內(nèi)部來講有主要的幾個(gè)關(guān)鍵的部件，一是齒輪的部件，所以說我們更會考慮實(shí)際載荷下的齒形的優(yōu)化，基于齒形的優(yōu)化得到齒面應(yīng)力狀態(tài)，齒寬和齒高方向怎么解決齒面裂的問題，這幾個(gè)方面的解決就是主要解決可靠性的問題。這是設(shè)計(jì)分析的。
還有比較支撐件，就是軸承的問題，現(xiàn)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(jìn)一步關(guān)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(yīng)整個(gè)軸自身狀態(tài)的問題，是不是有邊緣效應(yīng)的問題。
另外在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)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(gè)過程當(dāng)中我們還要進(jìn)一步建立各個(gè)潤滑點(diǎn)的基于系統(tǒng)的模型分析，不僅要建立數(shù)學(xué)模型，下一步還要建立基于流程的，這個(gè)系統(tǒng)相對來說是比較復(fù)雜的一種模型，是現(xiàn)在行業(yè)當(dāng)中我們?nèi)匀粶y不準(zhǔn)和算不準(zhǔn)的一個(gè)問題，所以希望通過各種軟件綜合也好，或者用云計(jì)算的一個(gè)大的計(jì)算平臺也好，來解決齒輪箱當(dāng)中的一些潤滑方面的事情。
剛才講到的是分析的一個(gè)問題，怎么來測試？首先齒輪箱在測試的時(shí)候有對每個(gè)齒輪的齒根，包括其他方面在設(shè)計(jì)當(dāng)中都會基于相應(yīng)的對設(shè)計(jì)做比對，進(jìn)一步優(yōu)化模型，同時(shí)優(yōu)化齒輪的齒形。
舉個(gè)案例，在高可靠的情況下齒輪箱會從三分流變成四分流進(jìn)一步到五分流，傳動當(dāng)中就要求進(jìn)一步有多向均載的要求。另外我這個(gè)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(diǎn)零幾，所以隨著我們國家對設(shè)備精度的保證，實(shí)際上我們的很多設(shè)計(jì)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(chǔ)建設(shè)的發(fā)展可以把這些技術(shù)充分利用起來。
另外一塊是現(xiàn)在正在推崇的全壽命周期的加速疲勞試驗(yàn)測試，這塊測試內(nèi)容對工廠來講耗費(fèi)投資是比較大的，現(xiàn)在國內(nèi)大概在5-7兆瓦這個(gè)機(jī)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(xiàn)有的試驗(yàn)臺要做到16-20兆瓦，更大的可能要到26兆瓦這樣一個(gè)高投入的驗(yàn)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(xù)的為了配套大功率的要求來逐漸的拓展整個(gè)的試驗(yàn)臺的匹配能力。
還有一個(gè)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化上面也是一個(gè)逐漸變化的過程，這個(gè)地方列出的是軸承方面的介紹，軸承是做陸上風(fēng)電的時(shí)候也是陸陸續(xù)續(xù)的還有些其他的軸承，現(xiàn)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(yīng)用。從結(jié)構(gòu)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(fā)展也是整個(gè)風(fēng)電為了高可靠的方面也是在不停地進(jìn)步和發(fā)展，與此同時(shí)對設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。
這個(gè)是很多在推崇利用柔性箱的結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)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(yùn)行。
今天這個(gè)主題還有一個(gè)名字是叫可維性技術(shù)，可維性技術(shù)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(shù)，基于常規(guī)的或者基于平行級的分流和匯流的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以可以形成技術(shù)，用這種技術(shù)可以大大減少風(fēng)電，特別是海上風(fēng)電這種發(fā)展，這也是一種歐洲或者是我們國內(nèi)在逐漸探索的一種結(jié)構(gòu)流派。
另外一塊是在未來適應(yīng)整個(gè)機(jī)組逐漸的升級換代，所以我們也是推出了平臺化，跟整個(gè)機(jī)組提升功率，怎么滿足這樣的需求，所以在齒輪箱設(shè)計(jì)的時(shí)候同樣考慮基于平臺化的發(fā)展。比如從5兆瓦可能會升級到6兆瓦，甚至升級到6.5，當(dāng)初設(shè)計(jì)的時(shí)候要有余量的考慮，軸承的考慮，整個(gè)齒輪組件包括通件的考慮，這也是在設(shè)計(jì)當(dāng)中希望主機(jī)廠和我們一起做好近兩三年或者近四年的規(guī)劃發(fā)展。
另外一塊大家關(guān)注的可能是在齒輪箱當(dāng)中為了下一步的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的需要，為了運(yùn)維的需要，在出廠的時(shí)候我們都會預(yù)留相應(yīng)的溫度、壓力、振動，包括下一步的油液這一塊監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)置和配置，這也在整個(gè)行業(yè)當(dāng)中這就是主要的一些產(chǎn)品應(yīng)用的一個(gè)問題。
有了這些數(shù)據(jù)之后我們會通過有線也好，無線也好，跟主機(jī)廠希望一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和運(yùn)維的共同的斜響應(yīng)，怎么利用共同的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)齒輪箱本地的遠(yuǎn)程運(yùn)維和本地的遠(yuǎn)程預(yù)警，這對整個(gè)這個(gè)越來越大的保有量的裝機(jī)的基礎(chǔ)之上這是至關(guān)重要的。
接下來介紹可能在可靠性技術(shù)方面國內(nèi)已經(jīng)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(jī)是很快就可以開展試驗(yàn)，國內(nèi)來講可能多分流的這種結(jié)構(gòu)事實(shí)上國內(nèi)已經(jīng)在逐漸推廣和應(yīng)用，包括柔性也在推廣和應(yīng)用，這也是為了適應(yīng)高空海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的需要。
二是我們做了一些產(chǎn)品，在2012年的時(shí)候開展了樣機(jī)，在2016年在樣機(jī)的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化，開始小批量的裝機(jī)，這是在小批量裝機(jī)的時(shí)候我們拿到實(shí)測風(fēng)場的數(shù)據(jù)，這是基于5兆瓦的海裝的171的機(jī)型摘取的一些數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)來看它的可利用率還是比較高的，98.67%，這是列舉了抗臺風(fēng)期間整個(gè)發(fā)電量的一個(gè)情況。齒輪箱相關(guān)的數(shù)據(jù)溫度壓力都可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)控，采取了振動監(jiān)測，從振動監(jiān)測來看數(shù)據(jù)非常好，上面是限制線13.5，實(shí)際上整個(gè)運(yùn)作不超過12.6%，實(shí)際上這跟我們設(shè)計(jì)的預(yù)估值和評估值是比較接近的，進(jìn)一步表現(xiàn)了整個(gè)機(jī)組的設(shè)計(jì)和臺架設(shè)計(jì)是比較一致的。
三是基于機(jī)組的概念，為了拓展整個(gè)的視野也會在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中跟其他的歐美大的設(shè)計(jì)公司，在最初完成設(shè)計(jì)的時(shí)候他們都會來參與我們這個(gè)齒輪箱的研發(fā)過程的一些評價(jià)，不僅僅是在認(rèn)證的時(shí)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(gè)國際視野，可以了解到歐洲當(dāng)前產(chǎn)品的使用狀況和技術(shù)水準(zhǔn)。
對于下一步來講我們怎么來做這個(gè)產(chǎn)品，我們還有一些設(shè)想，這個(gè)地方就跟各位專家做一個(gè)匯報(bào)。
一是原材料和熱處理控制，原材料處理現(xiàn)在除了我們常規(guī)的碳酸之外我們會進(jìn)一步提高碳酸相應(yīng)的靈敏度。二是推出新的更加緊湊的人字齒的設(shè)計(jì)，使得更加緊湊，存在年限更高。三是突破常規(guī)的思想理念，下一步要嘗試做一些試驗(yàn)認(rèn)證新的齒形的應(yīng)用，這種齒形具有更高的傳動效果。這是我們在做試驗(yàn)的時(shí)候相關(guān)的一些數(shù)據(jù)，我們拿過來做國內(nèi)的齒輪，現(xiàn)在了購買德國對標(biāo)的齒輪，軟齒面對構(gòu)齒輪的傳動效率可達(dá)98.87%。四是新工藝應(yīng)用，在強(qiáng)化當(dāng)中我們會進(jìn)一步來用光子，光子效率不高，對整個(gè)振動、疲勞，接觸應(yīng)力都有比較大的改善，這一塊大家都在逐漸推廣和應(yīng)用，這也是大家比較關(guān)注的點(diǎn)。五是滑動軸承的應(yīng)用，主軸推廣在逐漸適用滑動軸承，所以這個(gè)要解決滑動軸承當(dāng)中的不僅是高碧雅多問題，還要解決靜態(tài)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(jìn)一步進(jìn)行研究和解決的。六是智能軸承，國內(nèi)廠家和國內(nèi)研究所也在逐漸認(rèn)識到智能軸承的概念，它在軸承技術(shù)上自身有更好的一個(gè)溫度檢測，振動相關(guān)一致性檢測，不是說現(xiàn)在一個(gè)常規(guī)傳感器的檢測，使得整個(gè)軸承在試運(yùn)行當(dāng)中狀態(tài)可以更加清晰的呈現(xiàn)在大家面前。七是模擬載荷譜加載試驗(yàn)，國家正在大力建設(shè)多自由度加載的試驗(yàn)臺，如果海上風(fēng)電的風(fēng)險(xiǎn)這么大，希望我們在主機(jī)廠在內(nèi)的各個(gè)廠家也會起來，包括我們希望齒輪箱也會在試驗(yàn)臺上充分的進(jìn)行一個(gè)模擬葉片，以及整個(gè)波動的風(fēng)場加載的情況下，使得整個(gè)齒輪箱在設(shè)計(jì)當(dāng)中可以得到更好的設(shè)計(jì)評估和驗(yàn)證。
（發(fā)言整理自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）
