一、風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2014-2019年我國風(fēng)電累計裝機持續(xù)增長，截至2019年底，全國風(fēng)電累計裝機2.1億千瓦、同比增長14.0%，在新增裝機方面，風(fēng)電年度新增裝機2574萬千瓦，同比上漲22%。

從風(fēng)電結(jié)構(gòu)看，截至2019年底，全國風(fēng)電累計裝機2.1億千瓦中，陸上風(fēng)電累計裝機占主要比重，達到2.04億千瓦，占比97%;海上風(fēng)電累計裝機593萬千瓦，占比3%。

陸上風(fēng)電雖然是我國風(fēng)力發(fā)電主導(dǎo)，但是海上風(fēng)電規(guī)模有望得到進一步發(fā)展。2019年，海上風(fēng)電新增裝機198萬千瓦，海上風(fēng)電累計裝機593萬千瓦，增幅明顯，2020年海上風(fēng)電新增裝機將持續(xù)上升，將突破200萬千瓦。

在裝機規(guī)模持續(xù)擴大的同時，我國可再生能源利用水平也在不斷提高。2019年，全國風(fēng)電行業(yè)均實現(xiàn)了棄風(fēng)量、棄風(fēng)率的持續(xù)下降，加快推動我國能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。2019年我國棄風(fēng)電量達169億千瓦時，同比減少108億千瓦時，全國平均棄風(fēng)率為4%，同比下降3個百分點，實現(xiàn)了棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率的“雙降”。大部分棄風(fēng)限電地區(qū)的形勢進一步好轉(zhuǎn)。表明我國風(fēng)電等可再生能源開發(fā)技術(shù)得到進一步發(fā)展。

在風(fēng)電裝機規(guī)模持續(xù)增長，突破兩億千瓦，全國棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率實現(xiàn)“雙降”時，我國年度風(fēng)電發(fā)電量也得到發(fā)展，2019年我國風(fēng)力年度發(fā)電量首次突破4000億千瓦時，全國風(fēng)電發(fā)電量達到4057億千瓦時，同比增長10.9%，占全部發(fā)電量的5.5%。

2016年，我國首部《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》正式發(fā)布，2050 年，我國風(fēng)電裝機容量將達到 10 億千瓦，將成為電能主力。

2019年，我國風(fēng)電可再生能源裝機規(guī)模不斷擴大，風(fēng)電發(fā)電量實現(xiàn)新高，風(fēng)電清潔能源利用水平得到提高。在2020年“十三五”規(guī)劃即將收官時，我國也將迎來可再生能源電力發(fā)展情況考核。預(yù)計2020年將進一步全面推動風(fēng)電可再生能源高質(zhì)量高水平發(fā)展，充分發(fā)揮其清潔能源替代作用。

風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)能發(fā)電機的關(guān)鍵部分，隨著風(fēng)電的發(fā)展，風(fēng)電齒輪箱也獲得了良好的發(fā)展前景。國內(nèi)的企業(yè)還存在技術(shù)能力不足的問題， 需要了解齒輪箱制造的關(guān)鍵技術(shù)，提升技術(shù)水平，滿足市場需求。

二、風(fēng)機齒輪箱發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電受自然條件的影響，一些特殊氣象狀況的出現(xiàn)，皆可能導(dǎo)致風(fēng)電機組發(fā)生故障，而狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎(chǔ)，整個傳動系的動力匹配和扭轉(zhuǎn)振動的因素總是集中反映在某個薄弱環(huán)節(jié)上，大量的實踐證明，這個環(huán)節(jié)常常是機組中的齒輪箱。因此，加強對齒輪箱的研究，重視對其進行維護保養(yǎng)的工作顯得尤為重要。

風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組中技術(shù)含量較高的部件之一，同時也是故障率比較高的部件之一，是我國風(fēng)電技術(shù)水平提升的主要瓶頸。目前，我國齒輪箱制造企業(yè)已經(jīng)具備獨立自主研發(fā)能力，可批量制造1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.3MW、3.6MW、4.0MW、5MW、6MW等在內(nèi)的多種系列齒輪箱產(chǎn)品，可適應(yīng)高低溫、低風(fēng)速、高海拔、海上及其他特殊工況環(huán)境，可配套國內(nèi)主要整機制造企業(yè)的產(chǎn)品，基本滿足國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，并有部分企業(yè)正在研發(fā)8MW、10MW系列海上風(fēng)電大兆瓦級齒輪箱。

當(dāng)前，國內(nèi)風(fēng)場齒輪箱主要制造企業(yè)有：南京高精傳動設(shè)備制造集團有限公司、寧波東力股份有限公司、浙江通力重型齒輪股份有限公司、重慶齒輪箱有限責(zé)任公司、杭州前進齒輪箱集團股份有限公司、三一重型能源裝備有限公司、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司、中車北京南口機械有限公司、中車福伊特傳動技術(shù)（北京）有限公司、采埃孚(天津)風(fēng)電有限公司、湖南南方宇航高精傳動有限公司、大連華銳重工集團股份有限公司、重慶望江工業(yè)有限公司、天津華建天恒傳動有限責(zé)任公司、太原重工股份有限公司、弗蘭德傳動系統(tǒng)有限公司（威能極）、秦川機床工具集團股份公司、寧夏銀星能源股份有限公司、美聞達傳動設(shè)備(蘇州)有限公司等20家。

風(fēng)力資源十分豐富，風(fēng)能發(fā)電有著十分廣闊的發(fā)展前景，因此，風(fēng)機齒輪箱在未來有很廣闊的發(fā)展空間。目前市場上的主要風(fēng)力發(fā)電設(shè)備包括雙反饋發(fā)電和直驅(qū)發(fā)電，其中雙反饋發(fā)電是目前市場的主流發(fā)電技術(shù)，這種發(fā)電使用多重齒輪箱，承接風(fēng)能推動葉片所帶來的動力，之后齒輪箱提升轉(zhuǎn)速進行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機組中，齒輪箱是十分重要的零部件，由于風(fēng)能發(fā)電的快速發(fā)展，所以齒輪箱市場存在供不應(yīng)求的現(xiàn)象。但是與此同時，我國的齒輪箱制造水平相對較低，產(chǎn)能不足，滿足不了市場需求。國外的風(fēng)機齒輪箱規(guī)模已經(jīng)很龐大， 很多低功率風(fēng)機都使用國產(chǎn)齒輪箱，但是在兆瓦級以上的齒輪箱，卻十分依賴于國外廠商。國外齒輪箱制造商的零部件更新比較快，型號更新速度也很快。同時，國外廠商在售后服務(wù)上也領(lǐng)先于國內(nèi)，是國內(nèi)廠商的主要差距之一。

三、風(fēng)電齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)

1、風(fēng)電齒輪箱軸承

從1983年在歐洲立起來的Growian3MW風(fēng)機以來。至今已經(jīng)30多年了，兆瓦級風(fēng)電主齒輪箱的傳動形式經(jīng)過這些年來的發(fā)展，逐漸形成了自身的一些特點。

在風(fēng)力機的運行過程中，風(fēng)輪的受力狀況極為惡劣，經(jīng)常在急劇變化的重載荷下連續(xù)運行數(shù)十小時，其所受到的各種載荷都通過主軸直接傳遞給齒輪箱的低速軸。而且，風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計通常要求在無人值班運行條件下工作長達20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。

軸承是齒輪箱中的關(guān)鍵零件，如果軸承存在問題，齒輪箱必然會出現(xiàn)故障。很多國外企業(yè)在齒輪箱軸承的技術(shù)水平比較高，軸承往往會有比較長的壽命。同時為了能夠了解齒輪箱的情況，就需要了解軸承的壽命，及時對老化的軸承進行更換，避免軸承出現(xiàn)故障之后導(dǎo)致齒輪箱運轉(zhuǎn)不暢。軸承損壞的原因有很多，在計算時需要針對不同的因素進行綜合考慮， 這就導(dǎo)致不同的企業(yè)和國家都有自己的壽命計算標準，并沒有統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)的廠商也在研究軸承壽命計算的相關(guān)技術(shù)，對提高軸承的應(yīng)用有很大的幫助。溫度、潤滑油的粘度都對軸承的壽命有一定的影響，而且如果周圍環(huán)境不清潔，也會對軸承造成污染，導(dǎo)致軸承的運行情況變差。在對軸承的壽命進行計算時，這些方面的因素都要考慮進去，從而獲得準確的結(jié)果。

軸承是風(fēng)電齒輪箱中的核心部件。在齒輪箱運轉(zhuǎn)時，軸承支承零部件的旋轉(zhuǎn)并降低在工作時的摩擦。在一個軸系系統(tǒng)中，至少需要兩個及以上的軸承支撐并引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的軸，在實際應(yīng)用過程中根據(jù)不同的應(yīng)用需求有三種基本配置方式：固定+浮動的軸承配置、預(yù)調(diào)整的軸承配置、兩端浮動的軸承配置。

2、風(fēng)電齒輪箱齒輪制造水平

齒輪箱的性能、穩(wěn)定性來自于齒輪的設(shè)計和制造水平，對于齒輪的制造而言，不僅要做好設(shè)計工作，同時也要在工藝上有足夠的保證。齒輪的制造需要在材料上滿足要求，避免因為材料性能不足影響了齒輪箱運行的穩(wěn)定性。其次在制造的過程中，需要根據(jù)載荷計算來修正齒輪的齒形齒向，并且使用滲碳淬火工藝，有效對齒輪進行熱處理。

風(fēng)電齒輪箱的故障中有很大一部分故障來自于齒輪，齒輪運行環(huán)境較為復(fù)雜，長時間超載，潤滑不良，軸承或齒輪的錯誤安裝，以及齒輪本身嚙合不良等原因都會導(dǎo)致齒輪故障，壽命減短。

振動檢測是目前檢測風(fēng)電齒輪箱故障最全面最有效的檢測方式，只要運用合適的振動檢測儀器采集數(shù)據(jù)加以分析就能判斷出齒輪的運行情況，對故障部件及時進行維修更換以確保設(shè)備的正常運行，甚至在故障早期就加以預(yù)防，延長部件壽命。下面介紹一下齒輪的主要故障形式及振動表現(xiàn)：

齒輪磨損：齒輪磨損時其嚙合頻率的邊頻帶幅值會明顯增大，嚴重時會出現(xiàn)齒輪的固有頻率，并有轉(zhuǎn)頻調(diào)制。齒輪負荷大：一般情況下負載高時，會出現(xiàn)很高的嚙合頻率及其諧頻。齒輪游隙或偏心：齒輪嚙合頻率及其諧波被轉(zhuǎn)頻調(diào)制，出現(xiàn)固有頻率振動。齒輪不對中：齒輪不對中時一般會產(chǎn)生齒輪嚙頻率的高次諧波，且一倍頻幅值較低而二倍三倍較高。齒輪斷齒或裂紋：齒輪出現(xiàn)斷齒等嚴重損壞時會在該齒輪轉(zhuǎn)速頻率和固有頻率處產(chǎn)生較高振動，且時域上會有明顯的沖擊。

振動數(shù)據(jù)采集之后，根據(jù)齒輪齒數(shù)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)可以計算出齒輪的嚙合頻率，加上時域或頻譜中的特征可以對齒輪箱的故障進行診斷。然而，實際應(yīng)用中，由于齒輪箱中有多組齒輪和軸承，轉(zhuǎn)速也并非一成不變，頻譜分析往往有各種頻率出現(xiàn)，有些頻率十分接近，辨認比較困難。這時我們需要根據(jù)測點位置結(jié)合振幅大小分析，針對每個齒輪箱，在其工作狀態(tài)良好的情況下，采集得到基準的頻譜，在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中通過與基準頻譜進行對比，來發(fā)現(xiàn)問題。對于軸承部位測量,如果各部位振動都很大,一般可能是齒輪問題,如果個別軸承部位振動大可能是軸承問題。

3、風(fēng)電齒輪箱齒輪箱潤滑

風(fēng)電增速齒輪箱是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的核心部件，它將低轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪所攜帶的功率轉(zhuǎn)換為與發(fā)電機匹配的高轉(zhuǎn)速低扭矩功率，其全壽命周期內(nèi)的使用性能直接影響整機的發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電機組一般安裝在山區(qū)、戈壁、草原、近海等80多米的高空，且機艙內(nèi)部空間狹小，發(fā)生故障后維修成本十分高昂。因此風(fēng)電機組特別是齒輪箱的可靠性，早已成為業(yè)主招標時的重點關(guān)注指標。

潤滑油是齒輪箱流動的血液，其不僅起到潤滑齒輪和軸承以及帶走摩擦熱量的作用，通過油樣分析，還可以及時診斷出齒輪箱的異常，從而為制定處理措施提供依據(jù)。目前國內(nèi)的整機廠商大多選擇國外知名品牌的潤滑油，如美孚、嘉實多、殼牌、福斯等。在運維水平不斷提高的環(huán)境下，需要關(guān)注潤滑油全流程的質(zhì)量管控，保證齒輪箱在正常的工況下運行，同時盡量延長潤滑油的使用壽命。

齒輪箱的潤滑對于齒輪箱的運轉(zhuǎn)十分重要， 尤其是需要對軸承、齒輪嚙合區(qū)、軸承等位置進行噴油潤滑，保證齒輪箱運轉(zhuǎn)過程中不會有過大的阻力，避免齒輪箱的失效。使用潤滑油時，需要考慮潤滑油的溫度，因為會影響齒輪箱部件的疲勞，甚至?xí)斐上到y(tǒng)壽命降低。通常而言，要避免齒輪箱的油溫超過 80℃，一般情況下，運行過程中，如果油溫超過了60℃，就必須要有冷卻系統(tǒng)進行降溫，如果油溫過低，則需要停機然后加熱再開機。季節(jié)也是對溫度有重要影響的因素，風(fēng)電機在夏季通常都處于滿發(fā)的狀態(tài)，這就導(dǎo)致油溫很容易升高，同時如果有陽光的影響，更容易造成油溫的升高；而在一些嚴寒地區(qū)的冬天，過低的氣溫會導(dǎo)致齒輪機潤滑油流動不通暢，所以齒輪箱的齒輪、軸承難以得到充分的潤滑，很多齒輪機會出現(xiàn)齒面嚴重磨損的情況。低溫也會導(dǎo)致齒輪箱的粘度增加，造成油泵啟動的時候負載較重，于是就會導(dǎo)致電機出現(xiàn)過載的問題。所以對于齒輪箱的潤滑方面，需要充分考慮對潤滑油的溫度控制，設(shè)計潤滑油熱管理系統(tǒng)，控制潤滑油的溫度。

行業(yè)內(nèi)大多是基于油品檢驗結(jié)果判定潤滑油的狀態(tài)，而非簡單地根據(jù)機組運行時間進行決定。特別是運動黏度、元素含量、清潔度、水含量這幾項最能體現(xiàn)潤滑油質(zhì)量的參數(shù)，它們是否超標以及后續(xù)的抽樣復(fù)檢變化趨勢直接影響換油判斷。一般的風(fēng)電整機廠商會結(jié)合歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計和不同品牌潤滑油供應(yīng)商提供的參考換油限制值，制定適合本企業(yè)的換油標準。

當(dāng)前，各風(fēng)電整機廠商和風(fēng)電業(yè)主方越來越重視油品檢驗的規(guī)范性和檢驗結(jié)果，一些業(yè)主設(shè)立了自己的油品分析中心，目的就是要及時發(fā)現(xiàn)機組摩擦副所處的潤滑冷卻狀態(tài)是否正常，將因潤滑油使用維護不當(dāng)造成的故障消滅在萌芽之中，提高風(fēng)力發(fā)電機組的年發(fā)電量和機組的使用壽命。另外，通過定期的油品檢測實施按標準換油，節(jié)省了提前換油的費用。這些應(yīng)用技術(shù)，對企業(yè)提升技術(shù)管理水平、降低成本、提高競爭力具有積極作用。

4、 風(fēng)電齒輪箱運行監(jiān)測

隨著風(fēng)電的高速發(fā)展， 風(fēng)電機組裝機數(shù)量不斷增加，且結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。風(fēng)場環(huán)境惡劣，風(fēng)電機組處于高空，運維困難，往往達不到視情維護的效果，以致其關(guān)鍵故障嚴重、失效率占比增大、運維成本比重增多，造成風(fēng)場經(jīng)濟效益減少，競爭力降低。國外工作壽命至少 20 年的風(fēng)電機組運維成本大約占風(fēng)場收入的 10%～15%， 海上風(fēng)電機組高達 20% ～25%; 而國內(nèi)風(fēng)電裝備通常在運轉(zhuǎn) 5 年之內(nèi)出現(xiàn)關(guān)鍵故障，其中風(fēng)機齒輪箱最為嚴重，陸上和海上風(fēng)機齒輪箱失效率分別約占整機 14% 和 19%。在風(fēng)電齒輪箱運維費用方面，齒輪箱故障是機組停機的關(guān)鍵因素，齒輪箱問題占 1 /3，在歐洲占總運維成本 12% ～ 30%; 而國內(nèi)則高達 40% 以上。巨大的運維費用降低風(fēng)電經(jīng)濟效益，可見發(fā)展風(fēng)機齒輪箱監(jiān)測診斷技術(shù)，提高齒輪箱無故障運行時間和發(fā)電效率具有重要意義。

快速發(fā)展的風(fēng)電行業(yè)存在的設(shè)備監(jiān)測困難，得到國內(nèi)外相關(guān)人員的高度重視，對其關(guān)鍵設(shè)備齒輪箱的運行維護出現(xiàn)了多種監(jiān)測技術(shù)和診斷方法。但齒輪箱的運行維護除了機械設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)問題外，還有齒輪箱自身特點的問題。

風(fēng)電系統(tǒng)的性能一定程度上決定于風(fēng)電齒輪箱的運行情況，所以目前通過對風(fēng)電齒輪箱的運行監(jiān)測，對當(dāng)前風(fēng)電齒輪箱的振動加速度、振動速度、振動位移、噪聲,齒輪箱轉(zhuǎn)速、功率,軸承油溫,壓力等進行監(jiān)測。

齒輪箱系統(tǒng)屬于含有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的多相混合系統(tǒng)，且三相之間互相影響， 共同作用于壽命周期的多個階段，產(chǎn)生多種多態(tài)多維數(shù)據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者、用戶和第三方監(jiān)測公司使用的狀態(tài)監(jiān)測和診斷方法，缺乏互相支撐和統(tǒng)一標準，需要三方協(xié)同推進，促進多種監(jiān)測技術(shù)和故障分析理論的集成融合，實現(xiàn)智能診斷和主動運維。

( 1) 選用或開發(fā)適當(dāng)?shù)亩鄳B(tài)信息傳感器，構(gòu)建相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，強化和改善現(xiàn)有的在線監(jiān)測技術(shù)和方法，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和無線技術(shù)，實現(xiàn)無線遠程可視化監(jiān)控。

( 2) 監(jiān)測理論及技術(shù)研究。選用或研發(fā)合適的、簡便的分析理論及技術(shù)，充分挖掘齒輪箱機制特征、磨損特征、理化特征和動態(tài)特征等多維定性、定量信息，確定合適的因子及修正系數(shù)，建立齒輪箱零部件的溫度模型、磨損模型及油品模型。

( 3) 診斷技術(shù)集成研究。齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，在深入研究現(xiàn)象、機制及數(shù)據(jù)等的階段動態(tài)性基礎(chǔ)上，通過量化定性信息和結(jié)果，根據(jù)溫度監(jiān)測、油液分析和振動分析等技術(shù)手段的優(yōu)勢，進行深度融合。

( 4) 統(tǒng)一監(jiān)測方法， 建立用戶、供貨商及第三方機構(gòu)的聯(lián)合知識庫、數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測方法庫。針對齒輪箱在不同階段的動態(tài)多維監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)一這三方的數(shù)據(jù)處理、定性、定量分析和診斷方法， 集成用戶的大量數(shù)據(jù)和監(jiān)測公司之間的運維準則，建立互相支撐的統(tǒng)一標準。

( 5) 智能主動診斷的軟硬件開發(fā)。應(yīng)用大數(shù)據(jù)、通過人工智能， 縱向結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，橫向類比同類齒輪箱，通過開發(fā)相應(yīng)的軟硬件，提升監(jiān)控系統(tǒng)、進行云診斷，開發(fā)機器人進行移動現(xiàn)場診斷，使設(shè)備能以語音或文字形式提前報警， 從而實現(xiàn)主動運維。

四、結(jié)束語

通過設(shè)計來進行齒輪箱的優(yōu)化可以提升齒輪箱的性能，以及延長齒輪箱的壽命。比如可以使用數(shù)學(xué)模型來對齒輪箱進行模擬，然后結(jié)合參數(shù)對齒輪箱進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計過程中需要考慮不同方面的優(yōu)化條件，提升齒輪箱的性能和保證齒輪箱的穩(wěn)定性。

另一方面，也需要結(jié)合齒輪箱的經(jīng)濟性進行考慮，保證齒輪箱能夠滿足經(jīng)濟性要求。對于不同地區(qū)、齒輪箱的運行環(huán)境不同， 所以優(yōu)化過程中也需要深入研究一些極端情況對于齒輪箱的影響，或者圍繞環(huán)境專門對齒輪箱重新設(shè)計。

風(fēng)電齒輪箱技術(shù)水平對風(fēng)能發(fā)電十分重要， 廠商需要充分考慮不同情況的需求，對風(fēng)電齒輪箱進行技術(shù)優(yōu)化。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)上的關(guān)鍵問題進行創(chuàng)新，提高風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)水平。