摘要 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮, 風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)力機(jī)組中最重要的部件, 倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。介紹了國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展現(xiàn)狀, 對(duì)風(fēng)電齒輪箱的市場前景做了分析, 在技術(shù)上從齒輪箱的設(shè)計(jì)、軸承、潤滑系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測以及制造工藝等方面分析了國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱存在的問題并提出建議。
關(guān)鍵詞 風(fēng)電 風(fēng)電齒輪箱 齒輪箱 發(fā)展現(xiàn)狀
引言
環(huán)境污染, 能源短缺, 油價(jià)上漲, 當(dāng)今社會(huì)對(duì)清潔可再生能源的強(qiáng)烈訴求促使風(fēng)能產(chǎn)業(yè)遇到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。據(jù)估計(jì), 世界風(fēng)能資源高達(dá)每年53 萬億kW·h, 是2020 年世界預(yù)期電力需求的兩倍[ 1] 。同時(shí)與之相關(guān)的風(fēng)電制造業(yè)也呈現(xiàn)出了蓬勃的發(fā)展前景。目前國際上采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流結(jié)構(gòu)型式是齒輪箱驅(qū)動(dòng), 風(fēng)電設(shè)備的龐大需求缺口更使得作為關(guān)鍵零部件的風(fēng)電齒輪箱的生產(chǎn)前景廣闊。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在荒郊、野外、山口、海邊等風(fēng)能較大且周圍無遮擋物之處, 發(fā)電機(jī)、齒輪箱等安裝在機(jī)組塔架之上狹小的機(jī)艙內(nèi), 距地面幾十米高。常年受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響, 工作環(huán)境惡劣。據(jù)世界風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)數(shù)據(jù), 風(fēng)電系統(tǒng)的失效率12%來自齒輪箱的失效。大約是工業(yè)齒輪箱平均失效機(jī)率的兩倍。齒輪箱的失效是導(dǎo)致故障時(shí)間、維修和產(chǎn)量減少的主要原因, 一般其損失要占風(fēng)電設(shè)備總價(jià)的15%~ 20%。
故障期一般出現(xiàn)在發(fā)電的高峰期, 因?yàn)榄h(huán)境惡劣,交通不便, 齒輪箱一旦出現(xiàn)故障, 修復(fù)十分困難, 將嚴(yán)重影響到風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)效益, 因此, 對(duì)齒輪箱的可靠性和工作壽命提出了很高的要求, 風(fēng)電齒輪箱市場幾乎是得技術(shù)者得天下。然而國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚, 盡管已經(jīng)做了一些工作, 其中還存在很多問題, 本文介紹了國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展現(xiàn)狀, 對(duì)風(fēng)電齒輪箱的市場前景做了分析, 在技術(shù)上從齒輪箱的設(shè)計(jì)、軸承、潤滑系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測、制造工藝5 個(gè)方面分析了國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱存在的問題并提出建議。
1 風(fēng)電齒輪箱發(fā)展現(xiàn)狀及市場前景
1. 1 行業(yè)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
2006 年南京高精齒輪有限公司牽手GE 開發(fā)風(fēng)電齒輪箱, 2008 年2 月27 日至2008 年2 月28 日, GE 1. 5MW 風(fēng)電齒輪箱聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)配合GE 全球總工程師、風(fēng)能總工程師、中國傳動(dòng)總工程師完成了最后一次設(shè)計(jì)( 試驗(yàn)后) 評(píng)審, 與會(huì)者一致認(rèn)為該型號(hào)齒輪箱設(shè)計(jì)水平達(dá)到世界一流, 試驗(yàn)結(jié)果超過歐洲同類機(jī)型表現(xiàn),雙方共同宣布GE 1. 5MW 齒輪箱研發(fā)取得圓滿成功。在此項(xiàng)目基礎(chǔ)上, 組建研發(fā)小組進(jìn)行XLE 1. 5MW 機(jī)型的研制, 將在2009 年一季度完成研發(fā)。另外, 公司目前正重點(diǎn)研發(fā)2. 5MW、3MW 的風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)產(chǎn)品[ 3] 。
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司從1996 年就致力于風(fēng)電齒輪箱的研發(fā)、生產(chǎn), 公司已初步研發(fā)出了( 1 000- 2500) kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速齒輪箱產(chǎn)品, 并成功地實(shí)現(xiàn)了600kW、750kW、800kW、1 000kW、1 500kW、2000kW 風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱的批量生產(chǎn)。
2006 年6 月重慶齒輪箱有限責(zé)任公司研制成功國內(nèi)第一臺(tái)1. 5MW 風(fēng)電齒輪箱。2007 年6 月初, 該廠研制生產(chǎn)的國內(nèi)最大的兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱FL2000 順利通過了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測試和型式試驗(yàn), 成功交付用戶使用[ 4]
另外, 2008 年5 月, 由杭齒集團(tuán)杭州前進(jìn)風(fēng)電齒輪箱有限公司研制開發(fā)的首臺(tái)1. 5MW 風(fēng)電齒輪箱, 通過沈陽遠(yuǎn)大機(jī)電裝備有限公司的驗(yàn)收, 該臺(tái)風(fēng)電齒輪箱在轉(zhuǎn)速、扭矩、升溫、振動(dòng)等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 即將交付客戶使用[ 5] 。
鄭州機(jī)械研究所也在從事風(fēng)電齒輪箱的研究, 2005 年7 月到2007 年6 月, 進(jìn)行了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高可靠性傳動(dòng)裝置的研究。
2008 年初, 河南省發(fā)展和改革委員會(huì)、河南省科技廳和河南省財(cái)政廳共同舉辦了2008 年河南省扶持企業(yè)自主創(chuàng)新項(xiàng)目招投標(biāo)活動(dòng), 鄭州機(jī)械研究所申報(bào)的℃ 兆瓦以上風(fēng)電機(jī)組增速齒輪箱研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化℃項(xiàng)目一舉中標(biāo), 獲得省科研經(jīng)費(fèi)200 萬元。該項(xiàng)目針對(duì)大型風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究, 擬開發(fā)3. 0MW 以下系列風(fēng)電增速箱, 并完成相應(yīng)的中試和產(chǎn)業(yè)化研究、生產(chǎn)基地建設(shè)等工作[ 6] 。
風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)是我國學(xué)者研究較多的問題。沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所的李樹吉, 陳雷等對(duì)三級(jí)平行軸的斜齒圓柱齒輪增速箱進(jìn)行了研究, 以齒輪箱質(zhì)量最輕為目標(biāo)建立了風(fēng)電齒輪箱優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型, 用SUNMT 內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行了優(yōu)化。福州大學(xué)的劉賢煥, 葉仲和等對(duì)兆瓦以上的風(fēng)電齒輪箱提出了由1 個(gè)ZK ℃ H( B) 型差動(dòng)行星輪系與1 個(gè)ZK ℃ H(A) 型準(zhǔn)行星輪系組合而成的封閉式行星輪系傳動(dòng)方案, 并以齒輪箱體積最小為目標(biāo)函數(shù)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型, 利用MATLAB 優(yōu)化工具對(duì)模型進(jìn)行了求解。
另外, 重慶大學(xué)設(shè)有機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 在研究齒輪箱傳動(dòng)方面有優(yōu)勢(shì), 招收風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及裝備方向研究生, 并與重慶齒輪箱有限責(zé)任公司合作緊密[ 7] 7- 8。
1. 2 風(fēng)電齒輪箱市場前景
風(fēng)電齒輪箱的市場可發(fā)展空間遼闊, 以發(fā)改委的可再生能源中長期規(guī)劃, 保守預(yù)估至2020 年止風(fēng)電齒輪箱商機(jī)逾200 億元。
( 1) 齒輪箱驅(qū)動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組仍是市場主流目前市場上有兩種類型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備, 一種叫雙饋發(fā)電, 是通過多重齒輪箱, 將每分鐘轉(zhuǎn)速不過20多轉(zhuǎn)的葉片轉(zhuǎn)速提升到每分鐘1200 轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電; 另一種叫直驅(qū)發(fā)電, 采用永磁體發(fā)電機(jī), 葉片直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前, 前一種技術(shù)成熟, 是市場主流, 現(xiàn)時(shí)一些較新型2MW 至5MW 的機(jī)組中, 仍然使用多級(jí)齒輪箱傳動(dòng)技術(shù), 并繼續(xù)成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)主流。
( 2) 風(fēng)電機(jī)組零部件供不應(yīng)求
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要零部件包括葉片、齒輪箱、電機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。目前以及以后的相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi), 市場上對(duì)于整機(jī)的需求保持旺盛姿態(tài), 然而總體上來說, 相對(duì)于我國整機(jī)制造, 零部件制造比較落后, 不能滿足整機(jī)制造的巨大需求, 因此, 零部件制造發(fā)展?jié)摿薮蟆?/font>
目前國內(nèi)的風(fēng)電齒輪箱供應(yīng)已初具規(guī)模, 但兆瓦級(jí)以上風(fēng)電齒輪箱則多仰賴國外廠商供應(yīng)。國外主流風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到兆瓦級(jí), 丹麥為( 2. 0~ 3)MW, 美國為1. 5MW, 已有最高5MW 機(jī)組于2006 年初投入試運(yùn)行。
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組已成為國際市場的主流, 發(fā)達(dá)國家為了保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)而形成技術(shù)壁壘, 我國雖已有兆瓦級(jí)以上機(jī)組樣機(jī)開始試運(yùn)行, 但設(shè)計(jì)制造技術(shù)仍不成熟[ 7] 6。所以風(fēng)電齒輪箱市場發(fā)展?jié)摿薮蟆?/font>
另外, 由國外購進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)壽命為15~ 20年, 保修期一般為2 年。目前, 這些機(jī)組的部件在保修期內(nèi)就有被更換的, 包括風(fēng)輪葉片、發(fā)電機(jī)、增速齒輪以及控制系統(tǒng)等都有。可以預(yù)見, 過了保修期再要更換這些部件, 從國外購買就需要花費(fèi)外匯。而且, 國外的風(fēng)電機(jī)組的容量、規(guī)格更新很快, 有的型號(hào)、規(guī)格的產(chǎn)品到時(shí)候可能已不再生產(chǎn)了, 無法購進(jìn)、維修。因此, 對(duì)上述容量、規(guī)格機(jī)組的重要部件生產(chǎn)制造是國內(nèi)生產(chǎn)廠商的巨大商機(jī)。
另外, 由國外購進(jìn)的風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)壽命為15~ 20年, 保修期一般為2 年。目前, 這些機(jī)組的部件在保修期內(nèi)就有被更換的, 包括風(fēng)輪葉片、發(fā)電機(jī)、增速齒輪以及控制系統(tǒng)等都有。可以預(yù)見, 過了保修期再要更換這些部件, 從國外購買就需要花費(fèi)外匯。而且, 國外的風(fēng)電機(jī)組的容量、規(guī)格更新很快, 有的型號(hào)、規(guī)格的產(chǎn)品到時(shí)候可能已不再生產(chǎn)了, 無法購進(jìn)、維修。因此, 對(duì)上述容量、規(guī)格機(jī)組的重要部件生產(chǎn)制造是國內(nèi)生產(chǎn)廠商的巨大商機(jī)。
( 3) 政策的鼓勵(lì)
2008 年8 月19 日, 財(cái)政部公布了℃風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金管理暫行辦法℃, 規(guī)定對(duì)符合支持條件企業(yè)的首50 臺(tái)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組, 按600 元/ 千瓦的標(biāo)準(zhǔn)予以補(bǔ)助。辦法規(guī)定, 600 元/ 千瓦的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)中,整機(jī)制造和關(guān)鍵零部件制造企業(yè)各占50%, 并重點(diǎn)向關(guān)鍵零部件中的薄弱環(huán)節(jié)傾斜, 補(bǔ)助資金主要用于新產(chǎn)品研發(fā)。
℃辦法℃明確, 產(chǎn)業(yè)化資金支持對(duì)象為中國境內(nèi)從事風(fēng)力發(fā)電設(shè)備( 包括整機(jī)和葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器及軸承等零部件) 生產(chǎn)制造的中資及中資控股企業(yè)。資金主要是對(duì)企業(yè)新開發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的首50臺(tái)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及配套零部件給予補(bǔ)助。℃辦法℃的出臺(tái)無疑是國內(nèi)風(fēng)電零部件制造業(yè)的利好消息, 而風(fēng)電齒輪箱作為最重要的零部件無疑要在℃辦法℃上分一杯羹。
2 風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵技術(shù)
2. 1 風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)
目前國內(nèi)兆瓦級(jí)以上風(fēng)電齒輪箱多依賴國外廠商供應(yīng), 國內(nèi)研制出的風(fēng)電齒輪箱多是對(duì)國外產(chǎn)品的單一仿制, 由于國內(nèi)外的風(fēng)況、氣候不同, 風(fēng)電場使用保養(yǎng)水平、原材料以及制造和安裝水平都不一樣, 大部分進(jìn)口或國產(chǎn)齒輪箱都運(yùn)行不足3 年而停機(jī)大修, 原因有很多, 其中設(shè)計(jì)落后是最重要的一方面。
風(fēng)電齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)在國內(nèi)研究的還是比較多的, 沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所以齒輪箱質(zhì)量最輕為目標(biāo)建立了風(fēng)電齒輪箱優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型, 福州大學(xué)以齒輪箱體積最小為目標(biāo)函數(shù)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[ 7] 7- 8。重慶大學(xué)秦大同教授等也針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)以齒輪箱體積最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[ 8] 。
然而以上研究單一追求質(zhì)量或體積的最小化就會(huì)忽視風(fēng)電齒輪箱各級(jí)強(qiáng)度不平衡, 同時(shí)他們都將簡化的疲勞強(qiáng)度計(jì)算作為約束條件, 對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)、熱處理等問題考慮也不夠充分, 難以達(dá)到整體最優(yōu)。另外, 在設(shè)計(jì)的過程中還要考慮安全、經(jīng)濟(jì)因素。所以, 可以可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及齒輪箱各級(jí)齒輪疲勞強(qiáng)度接近相等為優(yōu)化目標(biāo), 建立多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 并同時(shí)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu), 熱處理等其他相關(guān)問題。
另外, 國內(nèi)齒輪箱失效的主要形式是早期點(diǎn)蝕。由于風(fēng)力作用于齒輪箱是變工況的, 在齒輪頻繁受到風(fēng)速變化沖擊時(shí), 齒輪的微動(dòng)磨損超過了一般設(shè)計(jì)的預(yù)期( 某些廠家設(shè)計(jì)時(shí)根本沒有考慮齒輪微動(dòng)磨損) ,往往造成使用2~ 3 年就出現(xiàn)齒輪早期點(diǎn)蝕, 這是國風(fēng)電齒輪箱的最大毛病。因此, 設(shè)計(jì)過程中一定要考慮齒輪的早期微動(dòng)點(diǎn)蝕。
再者, 不同地區(qū)氣候不同, 風(fēng)電齒輪箱的工況也不同, 不可照搬一種模式, 在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該具體問題具體分析, 根據(jù)齒輪箱的工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。
目前國內(nèi)尚沒有針對(duì)風(fēng)電齒輪箱的專用設(shè)計(jì)軟件, 因此, 針對(duì)我國風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀, 綜合考慮以上因素, 編制適合各種風(fēng)電齒輪箱的專用軟件, 是進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐, 促進(jìn)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要?jiǎng)?wù)。
2. 2 風(fēng)電齒輪箱的潤滑
齒輪箱的潤滑系統(tǒng)對(duì)齒輪箱的正常工作具有十分重要的意義, 大型風(fēng)力發(fā)電齒輪箱必須配備可靠的強(qiáng)制潤滑系統(tǒng), 對(duì)齒輪嚙合區(qū)、軸承等進(jìn)行噴油潤滑。在齒輪箱失效的原因中, 潤滑不足占去了一大半。潤滑油溫度關(guān)系到部件疲勞和整個(gè)系統(tǒng)的壽命。一般來說齒輪箱正常工作時(shí)的最高油溫不應(yīng)超過80 ℃ , 不同軸承間的溫差不應(yīng)超過15 ℃ 。當(dāng)油溫高于65 ℃ 時(shí), 冷卻系統(tǒng)開始工作; 當(dāng)油溫低于10 ℃ 啟動(dòng)時(shí),應(yīng)首先將潤滑油加熱到預(yù)定溫度后再開機(jī)[ 9] 。
在夏季, 由于風(fēng)電機(jī)組長時(shí)間處于滿發(fā)狀態(tài), 加上高空陽光直射等, 油品的運(yùn)行溫度上升超過設(shè)定值; 而在東北嚴(yán)寒地區(qū)冬季使用時(shí), 最低溫度經(jīng)常達(dá)到-30 ℃ 以下, 潤滑管路中潤滑油流動(dòng)不暢, 齒輪、軸承潤滑不充分, 造成齒輪箱高溫停機(jī), 齒面、軸承磨損, 另外溫度低也會(huì)使齒輪箱油粘度增加, 油泵啟動(dòng)時(shí)負(fù)載較重, 油泵電機(jī)過載[ 10] 9。
齒輪箱潤滑油都有工作的最佳溫度范圍, 建議給齒輪箱潤滑系統(tǒng)上設(shè)計(jì)一個(gè)潤滑油熱管理系統(tǒng): 當(dāng)溫度超過一定值時(shí)冷卻系統(tǒng)開始工作, 當(dāng)溫度低于一定值時(shí)加熱系統(tǒng)開始工作, 始終把溫度控制在最佳范圍內(nèi)。
另外, 提高潤滑油的質(zhì)量也是潤滑系統(tǒng)必須考慮的重要方面, 潤滑劑產(chǎn)品必須具有極好的低溫流動(dòng)性和高溫穩(wěn)定性, 要加強(qiáng)對(duì)高性能潤滑油的研究。
2. 3 軸承壽命計(jì)算
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 風(fēng)電齒輪箱故障仍約有50%的故障與軸承的選型、制造、潤滑或使用有關(guān)[ 7] 23。目前,由于技術(shù)條件落后等原因, 國內(nèi)兆瓦級(jí)以上機(jī)組的核心部件如電機(jī)、齒輪箱、葉片、電控設(shè)備和偏航系統(tǒng)等,很多都依靠進(jìn)口, 而應(yīng)用于這些大型風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱軸承、偏航軸承、變槳軸承及主軸軸承更是完全依靠進(jìn)口。因此, 較為精確的軸承壽命計(jì)算方法對(duì)風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
由于對(duì)軸承要求的高可靠性, 通常軸承的使用壽命應(yīng)不小于13 萬小時(shí)。而由于影響軸承疲勞壽命的因素太多, 軸承疲勞壽命理論還仍需不斷完善, 國內(nèi)外軸承壽命理論并沒有一個(gè)統(tǒng)一的, 為所有行業(yè)所接受的計(jì)算方法。目前, 國外各大軸承生產(chǎn)廠商己紛紛根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和研究成果提出各自新的軸承修正壽命計(jì)算方法。我國軸承壽命的試驗(yàn)研究工作起步較晚,規(guī)模較小, 必須迎頭趕上。
軸承的運(yùn)行溫度、潤滑油的黏度和清潔度及轉(zhuǎn)速等因素對(duì)軸承壽命有很大影響, 運(yùn)行狀態(tài)變差( 溫度上升、轉(zhuǎn)速降低、污染物增多) 時(shí), 軸承壽命可能大幅度降低。
對(duì)影響風(fēng)電齒輪箱軸承壽命的各種因素進(jìn)行深入分析, 研究出較為精確的軸承壽命計(jì)算方法是國內(nèi)軸承行業(yè)乃至風(fēng)電行業(yè)的重中之重。
2. 4 風(fēng)電齒輪箱的監(jiān)測
風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電系統(tǒng)的重要組成部分, 其振動(dòng)狀態(tài)直接影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行性能。因而研究風(fēng)電齒輪箱的振動(dòng)狀態(tài), 優(yōu)化測點(diǎn)布置并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,對(duì)保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的研究最早始于20 世紀(jì)60 年代[ 11] 2, 而關(guān)于風(fēng)電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測, SKF 公司的狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品做得很好, 產(chǎn)品種類有便攜式儀器、在線系統(tǒng)、傳感器等, 并且公司還可以根據(jù)客戶的需要為客戶量身定做狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品。
目前國內(nèi)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測但在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段。大連理工大學(xué)柴俊卿、王德倫以大連重工起重集團(tuán)生產(chǎn)的兆瓦級(jí)風(fēng)電增速器為研究對(duì)象, 通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析以及現(xiàn)場振動(dòng)試驗(yàn)來確定測點(diǎn)布置[ 11] 。
但是他們只對(duì)箱體進(jìn)行了模態(tài)分析, 不能完全準(zhǔn)確的反映整個(gè)齒輪箱系統(tǒng)得固有特性以及振動(dòng)特性,需要完整整個(gè)齒輪系統(tǒng)來分析其固有特性。另外, 風(fēng)電增速器特別是兆瓦級(jí)的風(fēng)電增速器狀態(tài)監(jiān)測目前在國內(nèi)還處于空白, 我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后, 還沒有相關(guān)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn), 因此需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 根據(jù)實(shí)際的振動(dòng)情況來制定振動(dòng)警報(bào)值, 才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線振動(dòng)監(jiān)測。
2. 5 風(fēng)電齒輪箱的制造工藝
在一定的設(shè)計(jì)和使用條件下, 齒輪的壽命是由原材料和工藝過程決定的。目前, 國內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱主要依賴進(jìn)口, 我國雖已有兆瓦級(jí)以上機(jī)組樣機(jī)開始試運(yùn)行, 但在設(shè)計(jì)制造方面主要是對(duì)國外的仿制。而我國的風(fēng)電齒輪箱的使用工況與國外不盡相同, 國內(nèi)齒輪原材料的質(zhì)量水平和加工制造水平也不如國外, 造成仿制進(jìn)口的國產(chǎn)齒輪箱在結(jié)構(gòu)、原材料和加工工藝上不適應(yīng)中國的實(shí)際情況, 所以光靠測繪和模仿不能解決可靠性問題, 應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善和制造工藝水平的提高上著手。
從德國ZF 公司、意大利FLAT 公司引進(jìn)產(chǎn)品的齒輪原材料與工藝標(biāo)準(zhǔn)比較, 國內(nèi)外齒輪材料的主要區(qū)別在于原材料純凈度和和淬透性帶寬的控制, 國外不認(rèn)可國內(nèi)主打用鋼CrMnTi 系鋼種。
在齒輪制造工藝上主要的區(qū)別在于: ( 1) 國外強(qiáng)力拋丸工藝的普遍應(yīng)用( 2) 對(duì)硬化深度的不同認(rèn)識(shí), 如國內(nèi)用隨爐試樣表面至HV500 處距離表征, 而ZF 公司用試樣或?qū)嵨锉砻嬷?span>HV610 處距離表征[ 10] 25。
用材料科學(xué)的觀點(diǎn)分析這些問題, 齒輪的承載能力是由外部條件如加載方式( 風(fēng)力特點(diǎn)) 和內(nèi)部條件如齒輪的材料處理和工藝過程( 制造水平) 決定的, 因此,國產(chǎn)化齒輪箱必須適應(yīng)我國的實(shí)際使用條件, 齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算過程中要依據(jù)我國的實(shí)際制造、管理水平進(jìn)行, 要對(duì)國標(biāo)或其他計(jì)算方法進(jìn)行修正, 其中包括齒輪箱的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì), 冷熱工藝過程[ 10] 22。
另外, 風(fēng)電齒輪應(yīng)充分注意增速傳動(dòng)與減速傳動(dòng)的區(qū)別, 變位系數(shù)的選擇應(yīng)有利于降低滑差, 應(yīng)根據(jù)載荷情況作必要的齒形和齒向修正, 內(nèi)齒圈輪緣厚度應(yīng)不小于3 倍的模數(shù), 外齒輪均采用滲碳淬火+ 磨齒工藝, 材料熱處理等級(jí)不低于MQ, 齒輪精度不低于5 級(jí);與傳統(tǒng)行星傳動(dòng)不同, 內(nèi)齒圈的強(qiáng)度往往成為風(fēng)電齒輪箱的薄弱環(huán)節(jié)。國外一般采用斜齒內(nèi)齒輪+ 滲碳淬火+ 磨齒工藝。但由于國內(nèi)大型內(nèi)斜齒制齒加工困難, 內(nèi)齒磨齒成本較高, 國內(nèi)通常采用直齒+ 氮化工藝, 與國外產(chǎn)品在設(shè)備可靠性、重量等方面存在一定差距。國內(nèi)在不具備斜齒加工的條件下, 也應(yīng)盡量采用滲碳磨齒工藝。即使在保證內(nèi)齒圈強(qiáng)度的條件下, 采用氮化工藝時(shí)內(nèi)齒圈的精度也不應(yīng)低于7 級(jí)[ 12] 。
3 結(jié)論
( 1) 國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展前景廣闊, 但起步晚,技術(shù)落后, 機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。對(duì)于企業(yè)來說, 龍頭企業(yè)要在技術(shù)和質(zhì)量上加大力度, 不可一味追求高產(chǎn)能、低成本, 讓國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱行業(yè)陷入低端惡性競爭。
(2) 風(fēng)電齒輪箱的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)注重高可靠性和長壽命, 加強(qiáng)兆瓦級(jí)大型風(fēng)電齒輪箱及其配套軸承的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的系統(tǒng)深入研究, 豐富現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。制造工藝方面應(yīng)加強(qiáng)材料、熱處理及加工的研究。潤滑系統(tǒng)上可考慮設(shè)計(jì)一個(gè)潤滑油溫?zé)峁芾硐到y(tǒng), 將潤滑油溫度控制在最佳溫度范圍內(nèi), 另外, 要進(jìn)一步開發(fā)出優(yōu)質(zhì)潤滑油品。
( 3) 一臺(tái)風(fēng)電齒輪箱動(dòng)輒上百萬, 如此昂貴的設(shè)備如果按照面向再制造的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì), 把可拆卸性、可運(yùn)輸性、易于修復(fù)和升級(jí)性、易于裝配性以及環(huán)境指標(biāo)都考慮在內(nèi), 在使用壽命結(jié)束以后對(duì)其進(jìn)行再制造, 將會(huì)節(jié)省大量的成本, 不但符合可持續(xù)發(fā)展要求, 更降低了風(fēng)電場建設(shè)的入門門檻, 推動(dòng)風(fēng)電事業(yè)的飛速發(fā)展。
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