劉宇

(深能北方(錫林郭勒)能源開發有限公（gōng）司　內蒙古　錫林郭勒　026000)

【摘　要】風電產業的（de）飛（fēi）速發展促成了風電裝備製造業的繁榮，風電齒輪箱作為（wéi）風電機組的核心部件（jiàn），倍受國內外風電相關行業（yè）和研究機構的關注。但由（yóu）於國內風電齒輪箱的研究起（qǐ）步較晚，技術薄弱，特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術。因此，急需對兆（zhào）瓦級風電齒（chǐ）輪箱進（jìn）行自主開發研究，真正掌（zhǎng）握風電齒輪箱設計製造技術，以實現風機國產化目標。本文主（zhǔ）要討論的是兆瓦級風力（lì）發電機組的齒輪箱。

【關鍵詞（cí）】風力（lì）發電；風機齒輪箱；維護

1　引言

縱觀社會的發（fā）展，科學技術作為推動力，當科（kē）學技術發展到足夠的階段時，將帶來人類社會突飛猛進的發展。這一事實，在二十世紀表現的越來越明顯，這一推動力的作用越來越突出（chū）。

從能源、電力產業看，二十世紀（jì）九十年代，世界能源、電力（lì）市場發展Z迅速的已（yǐ）不再（zài）是（shì）石油、煤（méi）、天（tiān）然氣（qì），太陽能（néng）發電、風力發電等可再生能源異軍突起。全（quán）世界風力發電容量在1990年的200萬千瓦，2009年一年內全球新增風力發電裝機容（róng）量就已達到3750萬（wàn）千瓦，而截止到2011年3月7日，我國的風電裝機總量有4182.7萬千瓦，首次超越美國成為世界上風電大國。因此，就新能源、電力方麵而言，二十一世紀將是可再生能源（yuán）的（de）世紀，能源、電力的開發利用將麵臨曆史的變革。為實現可持續發展，適應（yīng）世界發展趨勢，能源產業尤其是電力產業的發展必然選擇風（fēng）能等可再生能源（yuán）和新（xīn）能源。

風能作為一種清潔的可（kě）再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大（dà），全球風能資（zī）源總量約（yuē）為2萬億千瓦，其中可利用的風能為200億千瓦。中國可開發利用的風能資（zī）源（yuán）有10億千瓦（wǎ），其中陸地2.5億千瓦，現（xiàn）在僅開發了（le）不到0.2%;近海地區有7.5億千瓦，風能資源十分豐富。陸上風能資源豐富的地區主要分布在“三北”(東北、西北（běi）、華北)地（dì）區以及東南沿海地區。三北地區可開發利用的風力資源有（yǒu）2億千（qiān）瓦（wǎ），占全國（guó）陸地可（kě）開發利用風能的79%。由此可見中國風力資源（yuán）是十分豐（fēng）富的，遠遠（yuǎn）超（chāo）過可開發的水電和火電資源量。

近（jìn）年來隨著風電機組（zǔ）單機容（róng）量的不斷增大，以及風電機組的（de）投行時間的逐（zhú）漸累積，由齒輪箱故障或損壞引起的機組停（tíng）運事件（jiàn）時有發（fā）生，由此帶來的直接和間接損失也越來越大，因此對（duì）分離發電機組的維護保養十分重要。維護人員投入（rù）相關工作的工作量也有上升趨勢，這就促使越來越多的風電場開始加強齒輪箱的日常監測和定期保養工作。

風力發電場在國內作為一種新興的（de）發電企業形式因其具有自身的發展和生產性質特點，要求員工必須有較高的專業知識、技術業務水平和必要的技能技巧，因此做好風力發電機組的運行（háng）與維護，此論文（wén）的（de）書寫對（duì）本人現（xiàn）在以及今後工作（zuò）具（jù）有重要意義。

2　風電及齒輪（lún）箱的發（fā）展趨勢

2.1　風力發電發（fā）展的主要（yào）趨勢（shì）

2.1.1　機組單機容量增大風電機組單機容量的增大有（yǒu）利於提高風能利用率，降低風場的占地（dì）麵積，降低風電場運行維護成本，從而提高風電的市場競爭力。目前，上主流的風電機（jī）組已達到(2-3)MW，由德國公司研製（zhì）的Z大的5MW 風電（diàn）機（jī）組已投入運行，其旋翼（yì）區直徑達到126米。可以預見，(3-5)MW的風電機組在市場中的比例將日益（yì）提高。2008年2月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上，有與會者甚至提出了2020年前開發出20MW風電機組的概念。

2.1.2　海上風電迅速興起（qǐ）海（hǎi）上風能資源豐富，且受環境影響小，海（hǎi）上風電（diàn）場將成（chéng）為一個迅速發展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發展較快（kuài）。歐洲風能協會預測（cè），2020年，歐洲海上（shàng）風電總裝機容量將達到70000MW。雖然海上風電前景廣闊，但目前還有技術（shù）等方麵的因素製約著它的發展。一方麵，海（hǎi）上風電機組均（jun1）為陸上風電機組改造而成，而複雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不（bú）下，如世界Z大的海上風電場丹麥（mài）霍恩（ēn）礁風電場，80台海上風電機組故障率超過70%。另一方麵（miàn），電（diàn）網將難以承受大規（guī）模（mó）海上風電場所提供（gòng）的巨大電能。因此，海上風電的大發展仍需（xū）要（yào）解決機組及上網配套設施等方麵的問題。

2.1.3　變速恒頻技術快速推（tuī）廣目前市場上（shàng）恒速運（yùn）行的風電機（jī）組一（yī）般采（cǎi）用雙繞組結構的（de）異（yì）步發電機（jī），雙速運行。在（zài）高風（fēng）速段，發電機運行?較高轉速上;在低風速段，發電機運行在較低轉速上。其優點是控製簡單，可靠性（xìng）高;缺點是由於轉速基本恒定，而風速經（jīng）常變化，因此機組（zǔ）經常處於風能利（lì）用係數較低的狀態，風能無法得（dé）到充分利用。隨著（zhe）風電技術的進步，風電機組開發製造廠商開始使用變速恒頻技術，並結合變（biàn）槳距技術的應用開發出了（le）變槳變速風電機（jī）組（zǔ）。與恒速運行的風電機組相比，變速運行的風電機組具有發電量大、對風（fēng）速變化的適應性好、生（shēng）產成（chéng）本低、效率高等?點。因此，變速（sù）運行的風電機組也（yě）是未來發展的（de）趨勢之一（yī）。德國（guó）公司是目前全球生產變速風電（diàn）機組Z多（duō）的公司（sī）。

2.1.4　全功率變流技術興起近年來（lái），歐洲的公司都開發（fā）和應用了全（quán）功率（lǜ）變流的並（bìng）網技術，使風輪和發電機的調速範圍達到了0～150%的額定轉速，提高了風能的（de）利用範（fàn）圍，改善了（le）風（fēng）場上網電能的質量。德國公司還將原來對每個風電機組（zǔ）功率因數的（de）分散控製（zhì）加（jiā）以（yǐ）集中，由並網變電站來統一調控，實現了電網的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術將在今後大型風電場建設時得到推廣應用。

2.1.5　直（zhí）驅和半直驅風電機組直驅式（shì）風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，免去故障率較高的齒輪箱，在低風速時效率高，且具有低噪聲、高壽命、運行維護成本低等（děng）優點。近年來直驅式風電機組的裝機份額增長較塊，但由於技術和成本等方麵的原因，在未來較長時間內帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導（dǎo）地位。半直驅是介（jiè）於齒（chǐ）輪箱驅動和（hé）直接驅動之間的一種驅動方式，它采用一級齒輪箱（xiāng）增速，結構緊湊，具有相對較高的轉速（sù）和較小的轉矩。與傳統的齒（chǐ）輪箱驅動相比，半直驅增加了係統（tǒng）的可靠（kào）性;而與大（dà）直徑的直驅相比，半直驅通過更（gèng）高效和緊湊的（de）機艙排列減小了係統的（de）體積和（hé）重量（liàng）。

2.2　風電齒輪（lún）箱的（de）發展趨勢

風電產業的飛（fēi）速發展促成了風電裝備製造業的繁榮，風電齒（chǐ）輪箱作（zuò）為風電（diàn）機組中Z重要的部件，倍受（shòu）國內外風電相關行業（yè）和研究機構的關注。

風機增速齒輪箱是風力發電整機的（de）配套產品，是風力發電機組中一個重要的機（jī）械傳動部件（jiàn），它的重要功（gōng）能是將風輪在風（fēng）力（lì）作用下所產生的動力傳遞給發電機，使其得到相應（yīng）的轉速進行發電，它的研究和開發是風電技術的核心，並正向高效、高（gāo）可靠性及大（dà）功率方向發展。

風力發電機（jī）組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處，經常承受無規（guī）律的變相變負荷（hé）的風力作用以及強陣風的衝擊，並且常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出（chū）了比一（yī）般機械（xiè）產品高得多的要求。

風電（diàn）行業中發展Z快，Z有影響的國家主要有美（měi）國（guó）、德國（guó）等歐（ōu）美發達國家，在風電行業中處於統治地（dì）位（wèi）。歐美發達國家早已開發出單機容量達兆瓦級的風力發電機，並且技術相對成熟，具有比較完善的設計理論和豐富的設計經驗，而且商業化程（chéng）度比較高，因此在風力發電領域（yù）中處於明顯的優勢和主導地位。

盡管上齒輪箱設計技術已經比較成熟，但統計數據表明，齒輪箱出現故障仍然（rán）是故障的Z主要原因，約占風機故障總數的20%左右，由於我國商業化大型風力發（fā）電產業起步較晚，技術上較歐（ōu）美等風能技術發達國家存在報大差距。我國（guó）在九（jiǔ）五期間開始走引進生產（chǎn）技術的路（lù）子，通過引進和吸（xī）收國外成熟的技術，成功（gōng）研發出了兆瓦級以下風力發電機（jī）。

2.3　齒輪箱相對於風電的意義

風力發電是清潔可（kě）再生能源，蘊存量巨大，具有實際開發利用價值。大量風能開發不可能（néng）靠（kào）某個部門或行業（yè）的財政補（bǔ）貼就能解決，商（shāng）業化不僅是市場的要求，也是風力發電發展的自身需（xū）要。所（suǒ）以，風力發電商業化是必由之路，可（kě）行之路。風（fēng）力發電機組中的齒輪箱是一個（gè）重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用（yòng）下所產生的動力傳遞給（gěi）發電（diàn）機並使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須（xū）通過齒輪箱齒輪（lún）副的（de）增速作用來實（shí）現，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其（qí）動載荷部分取決於風輪（lún）、發電機的（de）特性和（hé）傳動軸、聯軸器的質量、剛（gāng）度、阻尼值以及發電機的（de）外部工（gōng）作條件。

開發新能源是國家能源建設實施可持續發展戰略的需要，是促進能源結構調整、減少環（huán）境汙染、推（tuī）進技術進步的重要手段。風力（lì）發電是新能源技術（shù）中（zhōng）Z成熟、Z具規模（mó）開（kāi）發條件和商業化發展前景的發電方式之一。

2.3.1　由於我國風電產業起步較晚，缺乏基礎研究積累和人才，我國在（zài）風力發電機組的研發能力上還有待提高，總體（tǐ）來說（shuō）主要以引進國外（wài）先進技術為主。目前國內（nèi）引進的技術，有的是國外淘汰的技術，有的圖紙雖（suī）然先進，但（dàn）受限於國內配套廠家的技術、工藝、材料等原因，導（dǎo）致國產化（huà）的零部件質量、性能仍有一定差距。所（suǒ）以，在引進國外風機技術的同時，開發（fā）自主知識產權的（de）兆瓦（wǎ）級增速齒（chǐ）輪箱，是加速我國風電產業的一項重要任務。

2.3.2　增速齒（chǐ）輪的設計和製造技術是整個風力發電機組的關鍵（jiàn）技術（shù），關係到整個風力（lì）發電（diàn）機組的命運。因此，要加強齒輪的研究，對齒輪進（jìn）行結構設計，提高齒輪的齧合質（zhì）量，降低（dī）噪聲，保（bǎo）證齒輪機械效率，提高齒輪的運行可（kě）靠性。

2.3.3　增（zēng）速齒輪箱以漸開線齒（chǐ）輪為主，人們對標準的漸開線齒（chǐ）輪有了一套比較成熟的設（shè）計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的（de）要求，在尺寸、重量（liàng）Z小的（de）情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動，這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求，高（gāo）精度（dù）齒輪分析是輪齒承（chéng）載能力、振動、噪聲及（jí）修形等研究的基礎。因此，建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布對修形規律的研究（jiū）具有重要意義。

3　齒輪箱的運行與維護

3.1??輪箱

風輪的轉速較低，在（zài）多數風力發電機組中，達（dá）不到（dào）發電機發電要求，必須通過齒輪箱齒輪副的作用來實現增速，故（gù）也將也將齒輪箱（xiāng）稱之為增速箱。

3.1.1　齒輪箱的構成

常用齒（chǐ）輪副：直齒和斜齒圓柱（zhù）齒（chǐ）輪和行星齒輪（lún）。實際應用的風力發（fā）電機主齒中，Z常見的是由（yóu）行星齒輪係和（hé）平行軸（zhóu）輪係混合構成的（de）。

3.1.2　安（ān）裝要求

齒輪箱的主動軸與葉片輪轂的聯接必須可靠緊固。輸（shū）出軸若直接與電機聯接（jiē）時，應采用合適的聯軸器，Z好的彈（dàn）性聯軸器（qì），並串接（jiē）起來保護作用的安（ān）全裝置。齒輪箱軸線上和與之相連（lián）接的部件的軸線應保證同（tóng）心，其誤差不得大於所選用聯軸器（qì）的齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉力。齒輪箱（xiāng）安裝後用（yòng）人工搬動應（yīng）靈活，無卡滯現象。打開觀（guān）察窗蓋檢查箱體內（nèi）部機件應無（wú）鏽蝕現象。用塗色法檢驗（yàn），齒麵接觸（chù）斑點應達到技術條件的要求。

3.1.3　運輸和存儲

存（cún）儲一般我們是在幹燥通風的環境當中，地麵保持（chí）水平，齒輪箱要（yào）安放平穩，齒輪箱保持一個靜止狀態。另外又要做好防鏽處理，還有（yǒu）不能露（lù）天存放，有一些風（fēng）場因為存儲條件不好，經常把齒輪箱（xiāng）放到露天的，這很容易出問題。還有天氣（qì）狀（zhuàng）況，根據天氣狀況，我們要每6-12個月重新塗抹（mò）一下防鏽劑，環境條件應該保持在空氣濕度低於70%，溫度一般在18到45度之間。存儲中，齒輪箱上的孔需要加蓋油脂（zhī）。特別是（shì）在運輸，運輸當中我們這個也要重視，就是（shì）有一些物流公司我們在（zài）運輸的時（shí）候特別之前要檢查一（yī）下（xià）它的資質（zhì），是不是用過齒輪箱，還（hái）有包裝（zhuāng），固定（dìng）非常（cháng）重要，因為（wéi）齒輪箱的跌落也是我們經常遇到的一個情況，造成齒輪箱不必要（yào）的損失。

3.1.4　齒輪箱的維護（hù）

一般來說，潤滑油在齒輪箱裏麵是一個Z重要的，我們在維護和保養方麵必須要引起足夠重視的這麽一個，就是對齒（chǐ）輪箱維護保養影響比較大的因素。新機運行250小時，需要做次（cì）的油樣分析（xī），半年以後再做一次，三年以（yǐ）後，根據油樣分析的（de）結果決定是（shì）否要更換潤滑（huá）油（yóu）。更換油的時候，首（shǒu）先要更換（huàn）同型號，同（tóng）品牌，如果同型號，同品牌（pái）做不到，我們必須做互溶性的試驗（yàn）。濾芯（xīn）需要12個月更換（huàn）一次，日（rì）常維護一般來說（shuō）1-3個月（yuè），比如檢查齒輪箱的箱體外觀，螺栓，包（bāo）括管路（lù）等。更換油濾，必須要觀察油濾上是（shì）不是有鐵屑，如果堵（dǔ）塞，油濾必須要更換，說（shuō）明這（zhè）個潤滑油裏麵（miàn）是有問題了，就（jiù）是要詳細檢查各個齒輪的部位。

另外，檢查磁棒，齒輪箱裏麵（miàn）我們一般在外部（bù）設一（yī）個磁棒伸到齒輪箱的內部（bù），如果磁棒幹淨，我們肉眼觀察齒輪箱裏麵沒有問題，如果（guǒ）上麵吸附了很多的金屬粉（fěn）末，或者鐵屑（xiè），說（shuō）明某一個部位磨損嚴重。磁堵，齒輪箱的各（gè）個部委都會（huì）設置一些磁堵（dǔ），如果幹淨，或者沒有問題。空氣濾芯（xīn），也是很（hěn）重要的一個部件，我們首先檢查它（tā）是否幹淨，如果（guǒ）它有堵塞，或者非常贓，需要馬上更（gèng）換。還有長時間的停機和齒輪箱長時間的存放，我們必須要每3個（gè）月手動盤車數圈，增加潤滑，並防止靜（jìng）止壓痕。還（hái）有機械泵長時（shí）間（jiān）存放的（de）時候也必須做好潤滑。內窺鏡檢查是我們對齒輪箱內部進（jìn）行檢查（chá）的一個有效手段。一般我們通過內窺鏡可以看（kàn）到各個部位軸承的狀況，包括齒麵的（de）狀況，包括肉眼（yǎn）從觀察口（kǒu）看不到的這些地方。

3.1.5　齒輪箱（xiāng）常見（jiàn）故障

主要的（de）故障分為九類，類我們可以看到是齒輪的損（sǔn）傷，第二類是軸承損傷，第三類是鋼體的（de）開裂（liè），第四個是鏽蝕，第五是滲漏（lòu）油（yóu），第六、螺栓斷裂、第七、機械泵損壞，第八、異響和振動，第九、油溫和油壓的異常。

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來源：《風電技術》