风电齿轮箱的生长及技术现状
宣布时间：2020/08/26 作者：王嘉伟
2014-2019年我国风电累计装机连续增长，截至2019年底，全国风电累计装机2.1亿千瓦、同比增长14.0%，在新增装机方面，风电年度新增装机2574万千瓦 ，同比上涨22%。
从风电结构看，截至2019年底，全国风电累计装机2.1亿千瓦中，陆上风电累计装机占主要比重，抵达2.04亿千瓦，占比97%;海上风电累计装机593万千瓦， 占比3%。
陆上风电虽然是我国风力发电主导，可是海上风电规模有望获得进一步生长。2019年，海上风电新增装机198万千瓦，海上风电累计装机593万千瓦，增幅明 显，2020年海上风电新增装机将连续上升，将突破200万千瓦。 在装机规模连续扩大的同时，我国可再生能源利用水平也在不绝提高。2019年，全国风电行业均实现了弃风量、弃风率的连续下降，加速推动我国能源行业 高质量生长。2019年我国弃风电量达169亿千瓦时，同比减少108亿千瓦时，全国平均弃风率为4%，同比下降3个百分点，实现了弃风电量和弃风率的“双降”。 大部分弃风限电地区的形势进一步好转。标明我国风电等可再生能源开发技术获得进一步生长。
在风电装机规模连续增长，突破两亿千瓦，全国弃风电量和弃风率实现“双降”时，我国年度风电发电量也获得生长，2019年我国风力年度发电量首次突破40 00亿千瓦时，全国风电发电量抵达4057亿千瓦时，同比增长10.9%，占全部发电量的5.5%。
2016年，我国首部《中国风电生长路线图2050》正式宣布，2050 年，我国风电装机容量将抵达 10 亿千瓦，将成为电能主力。
2019年，我国风电可再生能源装机规模不绝扩大，风电发电量实现新高，风电清洁能源利用水平获得提高。在2020年“十三五”计划即将收官时，我国也将迎 来可再生能源电力生长情况考核。预计2020年将进一步全面推动风电可再生能源高质量高水平生长，充分发挥其清洁能源替代作用。
风电齿轮箱是风能发电机的要害部分，随着风电的生长，风电齿轮箱也获得了良好的生长前景。 海内的企业还保存技术能力缺乏的问题， 需要了解齿轮箱 制造的要害技术，提升技术水平，满足市场需求。
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所爆发的动力通报给发电机并使其获得相应的转速。风力发电受自然条 件的影响，一些特殊气象状况的泛起，皆可能导致风电机组爆发故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭 转振动的因素总是集中反应在某个薄弱环节上，大宗的实践证明，这个环节经常是机组中的齿轮箱。因此，增强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的 事情显得尤为重要。
风电齿轮箱是风力发电机组中技术含量较高的部件之一，同时也是故障率比较高的部件之一，是我国风电技术水平提升的主要瓶颈。目前，我国齿轮箱制造 企业已经具备独立自主研发能力，可批量制造1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.3MW、3.6MW、4.0MW、5MW、6MW等在内的多种系列齿轮箱产品，可适应崎岖温、 低风速、高海拔、海上及其他特殊工况情况，可配套海内主要整机制造企业的产品，基本满足海内风电工业生长需求，并有部分企颐魅正在研发8MW、10MW系 列海上风电大兆瓦级齿轮箱。
目今，海内风场齿轮箱主要制造企业有：南京高精传动设备制造集团有限公司、宁波东力股份有限公司、浙江通力重型齿轮股份有限公司、重庆齿轮箱有限 责任公司、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司、三一重型能源装备有限公司、中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中车北京南口机械有限公司、中车 福伊特传动技术（北京）有限公司、采埃孚(天津)风电有限公司、湖南南方宇航高精传动有限公司、大连华锐重工集团股份有限公司、重庆望江工业有限公 司、天津华建天恒传动有限责任公司、太原重工股份有限公司、弗兰德传动系统有限公司（威能极）、秦川机床工具集团股份公司、宁夏银星能源股份有限 公司、美闻达传动设备(苏州)有限公司等20家。
风力资源十分富厚，风能发电有着十分辽阔的生长前景，因此，风机齿轮箱在未来有很辽阔的生长空间。目前市场上的主要风力发电设备包括双反响发电和 直驱发电，其中双反响发电是目前市场的主流发电技术，这种发电使用多重齿轮箱，承接风能推动叶片所带来的动力，之后齿轮箱提升转速进行发电。风力 发电机组中，齿轮箱是十分重要的零部件，由于风能发电的快速生长，所以齿轮箱市场保存供不应求的现象。可是与此同时，我国的齿轮箱制造水平相对较 低，产能缺乏，满足不了市场需求。外洋的风机齿轮箱规模已经很庞大， 许多低功率风机都使用国产齿轮箱，可是在兆瓦级以上的齿轮箱，却十分依赖于 外洋厂商。外洋齿轮箱制造商的零部件更新比较快，型号更新速度也很快。同时，外洋厂商在售后效劳上也领先于海内，是海内厂商的主要差别之一。
从1983年在欧洲立起来的Growian3MW风机以来。至今已经30多年了，兆瓦级风电主齿轮箱的传动形式经过这些年来的生长，逐渐形成了自身的一些特点。
在风力机的运行历程中，风轮的受力状况极为卑劣，经常在急剧变革的重载荷下连续运行数十小时，其所受到的种种载荷都通过主轴直接通报给齿轮箱的低 速轴。并且，风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下事情长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。
轴承是齿轮箱中的要害零件，如果轴承保存问题，齿轮箱一定会泛起故障。许多外洋企业在齿轮箱轴承的技术水平比较高，轴承往往会有比较长的寿命。同 时为了能够了解齿轮箱的情况，就需要了解轴承的寿命，实时对老化的轴承进行更换，制止轴承泛起故障之后导致齿轮箱运转不畅。轴承损坏的原因有许多 ，在盘算时需要针对差别的因素进行综合考虑， 这就导致差别的企业和国家都有自己的寿命盘算标准，并没有统一的理论基础。海内的厂商也在研究轴承 寿命盘算的相关技术，对提高轴承的应用有很大的资助。温度、润滑油的粘度都对轴承的寿命有一定的影响，并且如果周围情况不清洁，也会对轴承造成污 染，导致轴承的运行情况变差。在对轴承的寿命进行盘算时，这些方面的因素都要考虑进去，从而获得准确的结果。
轴承是风电齿轮箱中的焦点部件。在齿轮箱运转时，轴承支承零部件的旋转并降低在事情时的摩擦。在一个轴系系统中，至少需要两个及以上的轴承支撑并 引导旋转的轴，在实际应用历程中凭据差别的应用需求有三种基本配置方法：牢固+浮动的轴承配置、预调解的轴承配置、两端浮动的轴承配置。
齿轮箱的性能、稳定性来自于齿轮的设计和制造水平，关于齿轮的制造而言，不但要做好设计事情，同时也要在工艺上有足够的包管。齿轮的制造需要在材 料上满足要求，制止因为质料性能缺乏影响了齿轮箱运行的稳定性。其次在制造的历程中，需要凭据载荷盘算来修正齿轮的齿形齿向，并且使用渗碳淬火工 艺，有效对齿轮进行热处理。
风电齿轮箱的故障中有很大一部分故障来自于齿轮，齿轮运行情况较为庞大，长时间超载，润滑不良，轴承或齿轮的过失装置，以及齿轮自己啮合不良等原 因都会导致齿轮故障，寿命减短。
振动检测是目前检测风电齿轮箱故障最全面最有效的检测方法，只要运用合适的振动检测仪器收罗数据加以剖析就能判断出齿轮的运行情况，对故障部件及 时进行维修更换以确保设备的正常运行，甚至在故障早期就加以预防，延长部件寿命。下面介绍一下齿轮的主要故障形式及振动体现：
齿轮磨损：齿轮磨损时其啮合频率的边频带幅值会明显增大，严重时会泛起齿轮的固有频率，并有转频调制。齿轮负荷大：一般情况下负载高时，会泛起很 高的啮合频率及其谐频。齿轮游隙或偏心：齿轮啮合频率及其谐波被转频调制，泛起固有频率振动。齿轮差池中：齿轮差池中时一般会爆发齿轮啮频率的高 次谐波，且一倍频幅值较低而二倍三倍较高。齿轮断齿或裂纹：齿轮泛起断齿等严重损坏时会在该齿轮转速频率和固有频率处爆发较高振动，且时域上会有 明显的攻击。
振动数据收罗之后，凭据齿轮齿数和转速等数据可以盘算出齿轮的啮合频率，加上时域或频谱中的特征可以对齿轮箱的故障进行诊断。然而，实际应用中， 由于齿轮箱中有多组齿轮和轴承，转速也并非一成稳定，频谱剖析往往有种种频率泛起，有些频率十分接近，辨认比较困难。这时我们需要凭据测点位置结 合振幅巨细剖析，针对每个齿轮箱，在其事情状态良好的情况下，收罗获得基准的频谱，在状态监测和故障诊断中通过与基准频谱进行比照，来发明问题。 关于轴承部位丈量,如果各部位振动都很大,一般可能是齿轮问题,如果个体轴承部位振动大可能是轴承问题。
风电增速齿轮箱是双馈型风力发电机组的焦点部件，它将低转速的风轮所携带的功率转换为与发电机匹配的高转速低扭矩功率，其全寿命周期内的使用性能 直接影响整机的发电量。风力发电机组一般装置在山区、沙漠、草原、近海等80多米的高空，且机舱内部空间狭小，爆发故障后维修本钱十分高昂。因此风 电机组特别是齿轮箱的可靠性，早已成为业主招标时的重点关注指标。
润滑油是齿轮箱流动的血液，其不但起到润滑齿轮和轴承以及带走摩擦热量的作用，通过油样剖析，还可以实时诊断出齿轮箱的异常，从而为制定处理步伐 提供依据。目前海内的整机厂商大多选择外洋知名品牌的润滑油，如美孚、嘉实多、壳牌、福斯等。在运维水平不绝提高的情况下，需要关注润滑油全流程 的质量管控，包管齿轮箱在正常的工况下运行，同时尽量延长润滑油的使用寿命。
齿轮箱的润滑关于齿轮箱的运转十分重要， 尤其是需要对轴承、齿轮啮合区、轴承等位置进行喷油润滑，包管齿轮箱运转历程中不会有过大的阻力，制止 齿轮箱的失效。使用润滑油时，需要考虑润滑油的温度，因为会影响齿轮箱部件的疲劳，甚至会造成系统寿命降低。通常而言，要制止齿轮箱的油温凌驾 80℃，一般情况下，运行历程中，如果油温凌驾了60℃，就必须要有冷却系统进行降温，如果油温过低，则需要�；缓蠹尤仍倏＜窘谝彩嵌晕露扔兄� 要影响的因素，风电机在夏季通常都处于满发的状态，这就导致油温很容易升高，同时如果有阳光的影响，更容易造成油温的升高；而在一些严寒地区的冬 天，过低的气温会导致齿轮机润滑油流动欠亨畅，所以齿轮箱的齿轮、轴承难以获得充分的润滑，许多齿轮时机泛起齿面严重磨损的情况。低温也会导致齿 轮箱的粘度增加，造成油泵启动的时候负载较重，于是就会导致电机泛起过载的问题。所以关于齿轮箱的润滑方面，需要充分考虑对润滑油的温度控制，设 计润滑油热治理系统，控制润滑油的温度。
行业内大多是基于油品检验结果判定润滑油的状态，而非简单地凭据机组运行时间进行决定。特别是运动黏度、元素含量、清洁度、水含量这几项最能体现 润滑油质量的参数，它们是否超标以及后续的抽样复检变革趋势直接影响换油判断。一般的风电整机厂商会结合历年数据统计和差别品牌润滑油供应商提供 的参考换油限制值，制定适合本企业的换油标准。
目今，各风电整机厂商和风电业主方越来越重视油品检验的规范性和检验结果，一些业主设立了自己的油品剖析中心，目的就是要实时发明机组摩擦副所处 的润滑冷却状态是否正常，将因润滑油使用维护不当造成的故障消灭在萌芽之中，提高风力发电机组的年发电量和机组的使用寿命。另外，通过按期的油品 检测实施按标准换油，节省了提前换油的用度。这些应用技术，对企业提升技术治理水平、降低本钱、提高竞争力具有积极作用。
随着风电的高速生长， 风电机组装机数量不绝增加，且结构更为庞大。风场情况卑劣，风电机组处于高空，运维困难，往往达不到视情维护的效果，以致其 要害故障严重、失效率占比增大、运维本钱比重增多，造成风场经济效益减少，竞争力降低。外洋事情寿命至少 20 年的风电机组运维本钱约莫占风场收入 的 10%～15%， 海上风电机组高达 20% ～25%; 而海内风电装备通常在运转 5 年之内泛起要害故障，其中风机齿轮箱最为严重，陆上和海上风机齿轮箱失 效率划分约占整机 14% 和 19%。在风电齿轮箱运维用度方面，齿轮箱故障是机组�；囊σ蛩�，齿轮箱问题占 1 /3，在欧洲占总运维本钱 12% ～ 30% ; 而海内则高达 40% 以上。巨大的运维用度降低风电经济效益，可见生长风机齿轮箱监测诊断技术，提高齿轮箱无故障运行时间和发电效率具有重要意义。
快速生长的风电行业保存的设备监测困难，获得海内外相关人员的高度重视，对其要害设备齿轮箱的运行维护泛起了多种监测技术和诊断要领。但齿轮箱的 运行维护除了机械设备故障诊断的基础问题外，另有齿轮箱自身特点的问题。
风电系统的性能一定水平上决定于风电齿轮箱的运行情况，所以目前通过对风电齿轮箱的运行监测，对目今风电齿轮箱的振动加速度、振动速度、振动位移 、噪声,齿轮箱转速、功率,轴承油温,压力等进行监测。
齿轮箱系统属于含有固态、液态和气态的多相混淆系统，且三相之间相互影响， 配相助用于寿命周期的多个阶段，爆发多种多态多维数据。海内外学者、用 户和第三方监测公司使用的状态监测和诊断要领，缺乏相互支撑和统一标准，需要三方协同推进，增进多种监测技术和故障剖析理论的集成融合，实现智能 诊断和主动运维。
( 1) 选用或开发适当的多态信息传感器，构建相应的监测系统，强化和改善现有的在线监测技术和要领，通过网络技术、信息技术和无线技术，实现无线 远程可视化监控。
( 2) 监测理论及技术研究。选用或研发合适的、简便的剖析理论及技术，充分挖掘齿轮箱机制特征、磨损特征、理化特征和动态特征等多维定性、定量信 息，确定合适的因子及修正系数，建立齿轮箱零部件的温度模型、磨损模型及油品模型。
( 3) 诊断技术集成研究。齿轮箱作为风力发电机的要害部件，在深入研究现象、机制及数据等的阶段动态性基础上，通过量化定性信息和结果，凭据温度 监测、油液剖析和振动剖析等技术手段的优势，进行深度融合。
( 4) 统一监测要领， 建立用户、供货商及第三方机构的联合知识库、数据库和监测要领库。针对齿轮箱在差别阶段的动态多维监测数据，统一这三方的数 据处理、定性、定量剖析和诊断要领， 集成用户的大宗数据和监测公司之间的运维准则，建立相互支撑的统一标准。
( 5) 智能主动诊断的软硬件开发。应用大数据、通过人工智能， 纵向结合历史数据，横向类比同类齿轮箱，通过开发相应的软硬件，提升监控系统、进行 云诊断，开发机械人进行移动现场诊断，使设备能以语音或文字形式提前报警， 从而实现主动运维。
通过设计来进行齿轮箱的优化可以提升齿轮箱的性能，以及延长齿轮箱的寿命。好比可以使用数学模型来对齿轮箱进行模拟，然后结合参数对齿轮箱进行优 化设计。设计历程中需要考虑差别方面的优化条件，提升齿轮箱的性能和包管齿轮箱的稳定性。
另一方面，也需要结合齿轮箱的经济性进行考虑，包管齿轮箱能够满足经济性要求。关于差别地区、齿轮箱的运行情况差别， 所以优化历程中也需要深入 研究一些极端情况关于齿轮箱的影响，或者围绕情况专门对齿轮箱重新设计。
风电齿轮箱技术水平对风能发电十分重要， 厂商需要充分考虑差别情况的需求，对风电齿轮箱进行技术优化。结合目今技术上的要害问题进行立异，提高 风电齿轮箱的技术水平。
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