海上風電是具有重大挑戰性的項目,涉及更大容量風電機組的設計、制造、運輸、安裝和維護。對齒輪箱而言,對穩定可靠性要求更高。除了陸上機組的要求外,更增加了抗海嘯風暴、防海水水霧腐蝕以及絕緣等特殊要求。
今后各種機型將并存發展,都需不斷取得技術突破,來彌補自身薄弱環節。
各種不同容量不同形式的風電機組適應不同國家和地區,機組容量不宜一味求大。在不同的層面上都會有所需求。只有適合當地實際需求、質量上乘的機組,才會受到用戶的青睞。廠家在確定技術路線時要看準方向,將有限的資金用到最當用的地方。
風電機組對齒輪箱要求很高:體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、維修方便等。為了適應風電場這樣特殊應用環境的需要,對齒輪箱的強度和精度都提出了極高的要求。整個制造過程都要處于極嚴格的控制之下,為此企業必須徹底改變舊的管理理念,對整個制造過程進行極嚴格的控制,包括原材料控制、熱處理和機加工的工藝銜接、精度提高、清潔度的控制等。齒輪箱裝配完成后,在工廠的試驗臺架上,通過施加額定負荷和一定比例的超載負荷,對齒輪箱的運轉、噪聲、溫度、速度、振動、潤滑、齒輪和軸承的工作狀態等完成一系列的測試。在重要部位安裝相應的傳感器和測試儀器檢測,獲取參數值。在試驗中根據檢測信號的異常程度即可判斷運轉是否正常,產品各項技術指標是否滿足設計要求。
齒輪箱失效的主要形式是輪齒折斷和齒面點蝕、剝落等。除了自身的結構和設計制造因素外,機組的動力學結構和特殊的使用條件也會加速齒輪的失效進程。由于運轉中齒輪箱是變工況的,在齒輪受風載頻繁變化沖擊時,如果齒輪的微動磨損超過一般設計預期,往往使用2 年至3 年就出現齒輪點蝕。這種失效與接觸精度和硬化表層物理冶金因素有關。對付點蝕,要保證齒輪的疲勞強度和加工精度,所有能用得上的措施都采用也不為過。這包括原材料控制、熱處理和機加工的協調、齒面精度和粗糙度的提高、燒傷的控制等。
3 需要攻克的重要課題
未來幾年,我國風電齒輪箱行業需要攻克一些關鍵課題,加強質量管理,健全配套體系。主要體現在幾個方面[3]。
3.1 提高產品設計水平
目前國內兆瓦級以上的機組大多是按引進技術開發的。由于國內外的氣候條件和環境不同,風電場使用保養水平、原材料以及制造和安裝水平存在差異,大部分進口或國產齒輪箱都面臨早期損壞的問題。究其原因很多,其中設計落后是重要的一個。
風電齒輪箱是傳統風電機組傳動軸系中一個最重要而又是最脆弱的部件。理想的情況是讓齒輪箱完成傳遞扭矩和增速的任務而不承受其他附加載荷。實際上,風況的多變和機組的復雜變形,再加上機組在各種工況出現的載荷沖擊,給齒輪箱設計增添了不少不確定因素,加大了設計難度。
風電齒輪箱的優化設計必須在機組軸系整體分析研究的基礎上進行。在機組整體設計之初,由于理論、經驗和使用條件等原因,很少對增速齒輪箱進行深入的分析研究。往往是在機組總體布局時留出一個空間,簡要地規定前后聯接及技術要求。所謂的“建模”,也只是在理想的條件下進行設想,與實際運轉狀況尚有較大距離。因此,企業應加強產品優化設計的投入,創造條件深入細致地分析研究,提高設計水平。
除了完善原有傳統機型兆瓦級齒輪箱的結構性能外,還應關注混合驅動、速度補償型、功率分流型以及各種特殊傳動機型的進展,及時投入科研力量來支持技術創新。
3.2 建立研究開發平臺