摘要:大型化、高可靠性、長服役周期已經（jīng）成為當今世界風（fēng）電裝備（bèi）發展的方向,這給大（dà）型風（fēng）電裝備的傳動齒輪箱的設計（jì）製造技術帶來了一係（xì）列的挑（tiāo）戰（zhàn）。統計結果表明,影（yǐng）響風電齒輪傳動係統服役的關鍵問題是關鍵機械零部件的失效故障。近（jìn）年來（lái）各國在（zài）關鍵零部件損傷失效機理方麵開展的基礎研究工作,為風電齒輪箱（xiāng）係統的先進設（shè）計製造技（jì）術的研究與發展奠定了堅實的基礎。必（bì）須緊扣風電齒輪（lún）箱設計製造技術的基礎理論和發展方向,才能真正（zhèng）縮短我（wǒ）國與世界先進國家在風電傳動係統的設計製造（zào）水平方（fāng）麵的顯著（zhe）技術差距。

關鍵詞:風電齒輪箱;失效問題;設計製造技術;研究展（zhǎn）望

0引言

      近（jìn）年來中國的風電產業蓬勃發展,2011年全國新增裝機容量達18GW,居世界第一。以（yǐ）華銳風電科技(集團)股份有限公司、金風科技股份有限公（gōng）司、國電聯合動力技術有（yǒu）限公司為代表的一批本（běn）土風電裝備及關鍵零部件製造（zào）企（qǐ）業正在迅速崛起,推（tuī）動（dòng）我國發展（zhǎn）成為世界上最大的風（fēng）電裝備製造基地。但我國自主風電（diàn）裝備製造仍然麵臨著一些（xiē）深層次的（de）問題,值得深思（sī）,且直接體現在以下兩方麵:一是中國（guó）區域氣候特點明顯,北方具有沙塵、低溫、冰雪等惡劣工（gōng）況,東南沿海具有台風、鹽霧等惡劣工況,這（zhè）與歐洲的標準風（fēng）況(IEC61400-1)差異明（míng）顯,使得在引進技（jì）術基礎上製造的風電裝（zhuāng）備的可（kě）靠性不足,故障率較高。我國北（běi）方的大型陸（lù）上風場普遍存在的長時間幹燥揚塵的低溫氣候,對風電機組正（zhèng）常運行的影響非常大,會導致葉（yè）片表麵損傷乃至（zhì）脆斷,而且液壓係統密封不良、汙染、液壓油黏度增大等會產生工作不良及安全問題,齒輪箱密封潤滑係（xì）統功能退化、低（dī）溫停機較長時間後變速箱內油溫低（dī）、黏稠等都會降低係統壽命[1],而西歐的海洋性暖溫帶氣（qì）候則要溫（wēn）和得多,對風電設備的（de）性能影（yǐng）響也小。二是當前國內的風機開發與歐美發達國家還存在著明顯代差。歐美風電裝備製造企業已經跨域了5~6MW 的水平,正在大力（lì）推進（jìn）10MW 級風電裝備的研製工作,而國產主流機型還處於1灡5~3MW 的（de）級別。更重要的是我國風電製（zhì）造企業在核（hé）心技術上基本處於引進吸收和模仿階段,尚未具備係統性的裝備自主研發能力,引進的是產（chǎn）品線及部分生產技術,但是沒有（yǒu）形成係統（tǒng）的設計開發能（néng）力和生產技（jì）術開發能力。這也是我國在風電裝備開發、生（shēng）產和應（yīng）用（yòng）上（shàng）與國際先進水平差距顯著的重要原因。分析近年來我國風電裝備產業的發展曆程,多數風電裝備製造企業的技術能力與實際（jì）的設備可靠（kào）運（yùn）行要求（qiú）之間還存在著（zhe）顯（xiǎn）著的（de）差距。從風電裝備服役運行中（zhōng）的主要技術問題做起,探（tàn）究相關（guān）的設計製造科學理論與先進技術方法,提升自主（zhǔ）設計能力及製造技術（shù）能力,已成為我國（guó）風電裝備製造（zào）產業健康發展的重大課題。因此,《國家中（zhōng）長期科學和（hé）技術發展規劃（huá）綱要(2006-2020)》和《國務院關於加快培育和發展戰略性新興（xìng）產業的決定》 (2010)中都明確提出了“重點研究開發大型風力發電設備暠、“提高風電技術裝備（bèi）水平,有序推進風（fēng）電規模（mó）化發展暠等（děng）要求。

      總（zǒng）體上說,因主傳動鏈機械故障導致停機（jī）的時間占（zhàn）據（jù）了風機故障停機時間（jiān）的40%~60%甚至更多,是影響係統（tǒng）性能和可（kě）靠服役的關鍵問題 (國產風電齒輪（lún）箱的問題更顯著一些)。導致這些機械故障產生的主要外在因（yīn）素可以歸納為極端氣候（hòu）條件、長期交（jiāo）變載荷作（zuò）用、惡劣（liè）工作環境（jìng）與複雜載荷（hé）的（de）綜合作用（yòng）等,而主要的內（nèi）在原因則可以追溯到傳動係統的結構及裝配質量技（jì）術等問題。目前新一代風機隨著單機容量的增大,部件的尺（chǐ）寸、質量、係統複雜程度都在增加,同時包括（kuò）海上風機在內的裝備發（fā）展對係統可靠性的（de）要求在進一步提高,因此對傳動係統的相關問題如果不給予更大重視,必然會增加係統的故障率,降低服役（yì）可靠性。

      本文從近年來風電（diàn）裝備批量投入運行之後出現的技術問（wèn）題入手,重點討論了國（guó）內外在風電齒輪箱的關鍵（jiàn）失效規律研究與相應的（de）新型設計製造技術方麵的進展,對目前（qián）風電齒輪箱設計製（zhì）造方麵（miàn）國（guó）內外的技術差距提（tí）出了一些看法（fǎ）。

1暋關鍵零部（bù）件（jiàn）的失效問題調查（chá）與分析

      根據國內外近年來的風電（diàn）裝備故障統計數據,MW 級風電裝備的故障主要集中（zhōng）在齒輪箱、發（fā）電機、低速軸、高速軸、槳葉、電氣係統、偏航係統、變（biàn）槳係統（tǒng）、控製（zhì）係統等（děng）關鍵部件(圖1),傳動鏈特別是齒輪箱係（xì）統（tǒng）中由關鍵零（líng）部件失效引發故障而導致（zhì）停機的時間占機（jī）組總（zǒng）停機時間的比例居高（gāo）不下,成為影響機組（zǔ）可靠性的主要原因（yīn）之一[2]。

      1.1暋風電齒輪箱中存在的主要（yào）技術問題齒輪箱係統作為（wéi）整個風機係統的核（hé）心部件,受到通過葉片係統傳遞來的低速強載荷的擾（rǎo）動衝擊作用,同時承載齒輪箱的機艙係統在陣風作用下也有較大（dà）幅度的擺動,再（zài）加上（shàng）內部的溫度及潤滑狀態的變動（dòng）,因此（cǐ）,關鍵零部件(齒輪、軸承、主軸等)的失效等問題是目前最主要、影響最大的裝（zhuāng）備故（gù）障。近（jìn）幾年來（lái）,國內外學者們圍繞著風電裝備傳動係統的失（shī）效問題,開展了一係列的調查研究[3](圖2)。根據國內外關於風電齒輪箱質量問題的統計,常見故障主要有以下幾類[4]:

      (1)齒輪輪齒損傷。輪齒（chǐ）的（de）損傷是目前比例（lì）大且影響相對較大的損傷形式(圖3~圖5)。風電增速箱上承受的載荷變化比較大,特別是由極限風速或湍流工況引起的（de）係統過載以及由（yóu）調距或機械製動等（děng）引起的瞬時峰值載荷,盡管瞬時峰值載荷在（zài）整（zhěng）個運（yùn）行周期中作用時間不長,但是卻對齒輪特別是齒麵損（sǔn）傷有（yǒu）極大影響。輪齒齒麵損傷的（de）常見規律可歸納為“點（diǎn）蝕（shí）—剝落—斷齒暠三部曲。考（kǎo）慮到潤滑不良、熱（rè）處理和安（ān）裝（zhuāng）調試等狀況,由於齒麵在交（jiāo）變載荷下承受過大的接觸剪應力、過多（duō）的應力（lì）循環次數,因此齒（chǐ）麵容易發生膠合、點蝕、齒麵剝落、表麵（miàn）壓碎等損傷。比較典型的是行星（xīng）輪係,行星輪（lún）在（zài）運轉過程中總是雙向受力,受齒輪精度、強（qiáng）度的影響,容易出現疲勞斷齒現象（xiàng）;太陽輪具（jù）有結構小、載荷大的特點,其精度保持性低,易誘發失效。

      (2)軸承問題。軸承是齒輪箱中另一個重要故障源。在載荷作用下（xià）,由於安裝、潤（rùn）滑、汙染和工（gōng）作環境等因（yīn）素,軸承出現（xiàn）了磨損、超負載、過熱、腐蝕、導電、疲勞等現象,使軸承產生點蝕、裂紋、表麵剝落等問題而失效,從而使齒輪箱發生損壞 (圖6~圖7)。例如在低速輸入端,低速重載情況（kuàng）比較典型,良好的潤滑條件難以形成,這是造成主軸軸承損壞的重要原因。目前比較典型的是高（gāo）速端的軸承,它更容易出問題,因為發電機軸和齒輪箱高速軸連接中通常存在角度偏差和徑向偏（piān）移,它（tā）們隨輸出功率的變化而變（biàn）化;這會產生一定頻率的軸向和徑向的擾動力,從而引起軸承溫升而（ér）使軸承損壞。

      (3)密封與潤滑相關問題。齒輪箱漏油問（wèn）題大多可歸結為原有結構缺陷在惡劣工（gōng）作環境影響下（xià）的結果。齒輪箱的接口端和管接頭處（chù）由於存在密封結構的設計不（bú）合理或者密封質量問題（tí）(包括低溫和振動載荷情況下的油（yóu）封老化等),均有可能（néng）發生漏油（yóu）,同（tóng）時漏油處也容易造成外部灰塵進入箱體而汙染潤滑油。傳動係統的潤滑問題也非常突出,傳動鏈及齒輪箱中各（gè）類由潤滑不充分導（dǎo）致的問題（tí）出現得也較（jiào）多。潤（rùn）滑不充（chōng）分非常容（róng）易導致傳動副的關鍵接觸區的幹磨,這是齒麵、主軸、承等磨損的根源（yuán）之一（yī）。例如,在低速重載的（de）齒輪（lún）傳動中,要求潤滑脂（zhī）黏附性強、承載力大,一般采用添加二硫化鉬或石墨的高黏度潤滑脂進行潤滑;國內有時把用（yòng）於主軸軸承的潤滑脂(低黏（nián）附性、高流動性)用來做齒輪的潤滑脂（zhī）,造成齒（chǐ）麵潤滑脂（zhī）流（liú）失過（guò）快從而形成少潤滑狀況。又如高速端的圓錐滾子軸承（chéng）承受了一定（dìng）的軸向力（lì）,潤滑條件較（jiào）差時就會出現（xiàn）高溫過熱情況。另外,長期（qī）運轉之後在接觸部位出現了（le）磨損,潤滑油質會包（bāo）含雜質汙染,引起過熱等故障。此外,我國北方寒冷的氣候條件也會影響到潤滑係統,比（bǐ）如氣溫較低時潤滑油黏度較（jiào）高,機（jī）組啟動時可能導致油泵過載。

      (4)總的結構與裝配方麵的問題。大型風電傳動齒輪箱區別於普（pǔ）通齒輪箱的最大特點就在於所（suǒ）承受載荷的無規律性(風速多為（wéi）3~25m/s),當前主流的1灡5~3灡0MW 齒輪箱的最大功率幅值可能達到名義功率值的3~4倍(反（fǎn）轉可以（yǐ）達到2倍左右)。這對風電傳動（dòng）係統中剛（gāng）度較低的空心低速中間軸、行星輪係等零部件的影響相當顯著,因（yīn）為主流3MW 齒輪箱的長和寬（kuān）通常在3m 以（yǐ）上,總質量在20t以上,輸入力矩在2MN·m 左右,在這個尺度上,材料加工問題、輸送和組裝過程中的損壞、轉子的不對稱導致產生彎曲現（xiàn）象,而連接部件的軸偏心、軸承和支撐部件的組裝有（yǒu）誤等各類技術原因[5]導致的零部件製造、裝配誤差的絕對值相對較大。風電齒（chǐ）輪（lún）箱（xiāng）中傳動係的裝配偏心誤差、齒距誤差及平行度誤差等,在複雜載荷 (特別是在超過設計負荷（hé）下工作時導致（zhì）扭矩（jǔ）過大)下會進（jìn）一步惡化傳動件的配合接（jiē）觸狀態,擴大輪係結構的偏心誤差等,從而誘發（fā）振動問題,進而導致應力集中加（jiā）劇及結構失效等現象的出現(圖8)。張立勇[6]認為（wéi）,內齒圈偏（piān）心誤差對齒輪箱中的載荷分布不均勻的影響最大。

      受無規律變向載荷的風力乃（nǎi）至於強（qiáng）陣風的衝擊作用,風電裝（zhuāng）備常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響以及風沙和近海（hǎi）鹽（yán）霧的侵害,因而傳動係統關鍵零部件的故（gù）障———齒輪、軸承、主軸的失效以及油液等（děng）問題目前影響（xiǎng）最（zuì）大,其失（shī）效機理研究已（yǐ）成為長壽命（mìng）、高可靠性風電（diàn）裝（zhuāng）備製造中的世界性難題。在（zài）我國（guó）,由於（yú）材料、製造等基礎工業上的落後,傳動係統的失效故障問題非常突（tū）出,更（gèng）需要從（cóng）引發係統失效的（de）科學規律方麵進行深入研（yán）究（jiū）。

      1.2傳動（dòng）係統失效的（de）規律研究

      最近20多年來,歐美國家的風電裝備基（jī）礎研究取得了很大的進步,他們通過廣泛而持續的故障調查,係統研究（jiū）失效的過程與故障發生的規律。一些著名的研究（jiū）機構,如美國可再生能源國家實驗室(NREL)、Sandia國家實（shí）驗室（shì）的風電研（yán）究所（suǒ）、丹麥技術大學（xué）可持續能源國家實驗室(Ris熈DTU)等所（suǒ）完成的研究成果為世界風電裝備的大發展提供了（le）關鍵的理論基礎。NREL在2007年開始的（de）齒輪箱可靠性協（xié）同研究(gearboxreliabili灢（nǎng）tycollaborative,GRC)項目[7飊8]是近年來所開展的最具影響的風（fēng）電齒輪箱技術調查和研究工作之一,該研究從廣泛的齒輪箱失效數據庫建（jiàn）設開始,對當前風電齒輪箱及關鍵的（de）齒輪、軸承等的分析方法與模型的（de）有效性做（zuò）了（le）大量的評估,在一係列風機齒輪箱（xiāng）係統的故障調查和技術研究後,指出約10%的風電機組傳動係統故障來源於齒（chǐ）輪製造過程的缺陷和質量問題,而多數源於疲勞失效,其（qí）基本規律（lǜ）如下:初期源自承受惡劣外載的軸承（chéng）安裝位置,在交變應力的作用下產生接觸疲勞裂紋及表麵磨損,出現剝（bāo）落（luò）現象;表麵磨損（sǔn）、殘（cán）屑、間隙超差及錯位等因素相互促進並放大（dà）,影響到軸承的配合（hé）;進而導（dǎo）致齒輪的運轉產生偏差,發生（shēng）磨損、疲勞、膠合乃至裂紋,最終導（dǎo）致（zhì）齒輪失（shī）效。美國Timken公司的調查認定[9],影響主軸（zhóu）滾（gǔn）動軸承磨損的主要原因不是（shì）傳（chuán）統的轉動接觸疲勞,而是低周微點蝕磨損(low-cycle micropittingwear)。由於主軸軸（zhóu）承的轉速為10~20r/min,不足以長期形成穩定（dìng）可靠的潤滑油膜厚度。因此,下風(downwind)條（tiáo）件下在較大的載荷、較（jiào）高的應力循環以及過小的油膜厚度等情況下,滾子滾道接觸（chù）表（biǎo）麵發生了滑動,摩擦剪應力（lì）導致粗糙表麵接觸應力的增大,並（bìng）在（zài）表麵（miàn）附近產生了（le）最大值。更廣泛的調查研究（jiū）還表明,除（chú）了主軸調心滾動軸（zhóu）承以外,這種微點蝕現象也是齒輪箱軸承以及傳動齒輪本身失效的重要原因之一（yī）。趙玉良等[10]所做（zuò）的經驗性質的工作也佐證了低速齒輪係統（tǒng）中微點蝕的發生發展機（jī）理及其對齒輪傳統的（de）性（xìng）能損害,進而指出了（le）係統潤滑條件對微點蝕的抑製作（zuò）用。

      筆（bǐ）者所在單位近年來與中國國電集（jí）團“風（fēng）電（diàn）設備及控製國家重點實（shí）驗室暠（gào）在風電製造技術基礎科學研究工作（zuò）方麵合作較多,對我國（guó）多家骨幹風電設備整（zhěng）機、齒輪箱製造企業進（jìn）行過廣泛的企業調（diào）查。近期對（duì）國產風電齒輪傳動係統進行了一些地麵全尺寸試驗,對主流MW 級風（fēng）電裝備的齒輪-傳動（dòng）軸（zhóu）-箱體係統在耦合振動（dòng）條件下的（de）動力學特性進行了全（quán）麵分析,理論分析和應用實踐都（dōu）表明,國產風電（diàn）齒輪傳動係統與國外技術成熟的終體現為零件的加工質量及材料技術性能問題)是導致零部件失效和係統故障的直接技術根（gēn）源,主傳動鏈在（zài）結構性能上具有明顯的剛柔耦合特點,在惡劣載荷條件（jiàn）下,裝配誤差(及結構變形)與長期服役過程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用,最終會導致關鍵傳動零部件發生疲（pí）勞失效。

      不過,目前對傳動（dòng）係統失效原因（yīn）及規（guī）律的（de）研究還有很大的發展空間,例如大多數研（yán）究都是從各自接觸到的實際情（qíng）況和部分實驗出發歸納出零部件失效（xiào）的規律,但對風電傳動係統主要零部件的失效原因及其作（zuò）用規律的認識不一,部分原因（yīn）在於零部件在複雜載（zǎi）荷條件下的失效規律研究仍然麵臨一些關鍵性困難:

      (1)從葉片到低速輸入軸、軸承、齒輪、高速輸出軸、發電機等構成了主（zhǔ）傳動鏈,加上偏航係統、變槳係統（tǒng）、液壓係統、潤滑係統等,形成了非常複雜的強關聯強耦合體係。這給零部件的損傷演變規律分析帶（dài）來了較大的挑戰。

      (2)外部交變載荷與極端（duān）載荷,以及大慣量（liàng）機組係統對外部變化的（de）響應,極大地（dì）增大了關（guān）鍵零部件的（de）損傷概率,也增加了其失效規律研究的複雜性。

      (3)還必須考慮到在服役過程中零部件隨著材料老化與結構性（xìng）能退化,體現出不同於早期服役時缺陷擴展、損傷演變的（de）新特點。

     此外,已報道的研究更多的是基於失（shī）效案例的分析,而關於複雜外載荷（hé）條件與內部結構（gòu）的動力學響應關係以及對關鍵零部件的疲勞（láo）、磨損及斷裂等失效問題的作用（yòng）機理的研究仍然缺乏。在我國,還鮮見係統性論述風機傳（chuán）動係（xì）統關鍵零（líng）部件失效（xiào）機理和規律（lǜ）等（děng）基礎科學問題的研究報（bào）道。

2提升關鍵零部件可靠性的（de）設計、製造（zào）技術研究

      為了（le）實現複雜工作環境下傳動係統的長服役周期及高可靠性,對傳動係統特別是齒輪、主軸、軸承等（děng）關鍵零（líng）部件的結構（gòu）設計、製造工藝(包（bāo）括材料加（jiā）工（gōng）工藝（yì）及表麵處理工藝等)都提出了嚴格要求。基於大量的實驗、理論分析及仿真研究,國外許多學者針對傳動係統（tǒng）關鍵零部件在複雜載（zǎi）荷條件（jiàn）下的結（jié）構、材料性能及（jí）表麵物理特征等（děng）的變化規律方麵進行了大量科學研究工作,力圖以零件的“載荷狀態—材（cái）料性能—接觸連接條件暠的一體化分析研（yán）究為基礎,找出零部件裂紋擴展、表麵（miàn）微粒磨損脫落等（děng）失效過（guò）程與零件載荷、應力分（fèn）布與變化的關係,從而（ér）通過結構優化設計來改善零件（jiàn）的載荷、應力狀態,提高係統可靠性。Kapelevich[11]指出,考慮到（dào）風（fēng）電齒輪（lún）長期承受非對稱載荷的典型特點（diǎn）,設（shè）計非對稱齒形的齒輪能夠優化齒輪所（suǒ）受應力的分布（bù）,即通過對齒麵進行非對稱修形或直（zhí）接加工非對稱齒形所製造出來的新型齒輪,能夠顯著改善齒輪承受的應力情況:彎曲應（yīng）力比當前（qián）最好的對（duì）稱（chēng）齒形齒輪（lún）減小10%~15%,從而顯著提升齒輪的可靠性（xìng）和安全服（fú）役（yì）性能(圖9)。

      通過對零件表麵物理特性的理論研究,找出零部件表麵的材（cái）料宏觀（guān）失效與微觀結構變化的關（guān）係,從而廣泛開展（zhǎn）保持零件表麵機械物理性能穩定（dìng）的先進製造工藝技（jì）術研究[12飊13],對於通過製造工藝的改進來提高風電齒輪的可靠（kào）性也有重要意義。美國開展了以40年係統服役周期和5年關鍵零（líng）部件質（zhì）量（liàng）保證（zhèng）期為目標的大型風電機組關鍵

      部（bù）件長（zhǎng）壽命抗失效的材料處理技術的研究工作, LaPlante[14]介紹（shào）了能夠顯（xiǎn）著改（gǎi）善大型風電齒（chǐ）輪表麵的機械物理性能（néng）,采用高鉻鉬鋼(如4320、4820、9310 或18CrNiMo7-6 等)材料,直徑60灡96~91灡44cm(24~36inch),重272灡155~1360灡777kg(600~3000磅（páng）)的直接滲碳淬火(in灢tegralquenching,IQ)工藝(圖（tú）10)。邢大誌[15]針（zhēn）對內齒直徑大於1灡5m 的大型風電用內（nèi）齒圈的強化熱處理問題,從工藝實踐經驗出發（fā）,對比普通滲碳（tàn）淬火、感應淬火、氮化等工藝（yì）在畸變、齒根圓強化能力、工藝穩（wěn）定性、設（shè）備成本等方麵的特點,指出了將激光淬火技術應用於大型內齒圈熱處理的技術優勢:激（jī）光（guāng）淬火的硬化層深度、工藝穩定性能居中,但是它能較好地解決齒根圓的強化問題,並且（qiě）零件淬火後的變形程（chéng）度也大大優於感應淬火;激光淬火（huǒ）與感應淬火的（de）抗衝擊能（néng）力接近,數據的離散性（xìng）也比感應淬火小。從整體上看,強調材料（liào）熱處（chù）理的重要（yào）原因（yīn）是要保證齒輪的疲勞強（qiáng）度和加工精度。在風載頻繁變化下,齒輪(特別是齒麵)失效與接觸精（jīng）度（dù）和硬化表層物（wù）理冶金因素有關;由於齒輪箱變速比大,為了提高齒輪強度、傳動平穩性及可靠性（xìng）,同時減小尺寸和質量,表麵強化工（gōng）藝也至關重要。因此,在美國（guó）ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《風力發電機齒輪箱設計規範》的52 項質量控製（zhì）項目中,材料熱處理就占20

      改進軸承的設計製（zhì）造技術以抗擊疲勞（láo）點蝕磨損從而提高（gāo）係統的性能,也是一個非常重要的研性的潤滑失油期（qī）間對黏著磨損形成有效防護,以抵製黏著磨損機製所導致的（de）擦傷、微點蝕及微動磨損等;滾子經特殊設（shè）計製造能降低套圈滾（gǔn）道的表麵粗糙度;將（jiāng）套圈滾道拋光,能減少（shǎo）滾動力矩,提高效率。美國Timken公司在表麵抗磨技術上的研究成果使得新型耐磨軸承比一般主軸和齒輪（lún）箱（xiāng）軸承的壽命延長了3灡5倍[9]。另外,針對8~10MW 風電機組,Siebert等[17]研究了高性能潤滑油對（duì）齒輪傳動係統關鍵潤滑點的表麵保護作用,以提高傳動係統的抗疲勞性能、承受多變載荷的能力、熱（rè）穩定性,延（yán）長服役壽命。

      此外,由於傳動係統的（de）製造、裝配誤差對多數機械疲勞失效的（de）發生有著直接的影響,在惡劣外載的作用（yòng）下,傳動結構的變形和偏心等誤差與零件的損（sǔn）傷、磨損之間存在著明顯的雙向（xiàng）加劇作（zuò）用,因此,提高傳動結構（gòu）的精密製造及裝配（pèi）技術水平也具有極其重要的現實意義。結合風電傳動係統的複（fù）雜外載條件,深入（rù）研究實際結構的剛柔耦（ǒu）合特性和係統裝配誤差(偏心（xīn）、側（cè）隙、交錯等)的傳遞與積累規律,就能（néng）通過準確的裝配質量分析（xī）、評估和規劃為高性能風電傳（chuán）動係統的（de）設計（jì）製造服務。林騰蛟等[18]研究了齒（chǐ）輪齧合中載荷、表麵粗糙度、殘餘應力及輪齒修形量對齒輪副疲勞壽命的影響規律,為改進齒輪（lún）齧合結構（gòu）的製造工藝,改善表（biǎo）麵精度（dù）與（yǔ）製造,進而（ér）提高齒輪副的疲勞壽命提（tí）供了啟（qǐ）示。李明（míng）[19]指出,風電（diàn）裝配中常用的過盈連接對軸（zhóu）心彎曲的影響較大,因此在鼓形修（xiū）整時需要考慮過盈連接引起的變形,分析並探討了過盈連接各參數(外載、過盈量、摩（mó）擦因數)與連接強度間的關係。再（zài）如,近年來國內外針對行星齒輪的（de）裝（zhuāng）配結構偏心問題發展起來的柔性銷軸技術 (如MAAG[20]、重慶望江等風電齒輪箱（xiāng）製造企業（yè）都使用了相關（guān）的技（jì）術),更是（shì）在考慮結構彈撓（náo）性的基礎（chǔ）上對行（háng）星輪係的裝配偏差(及變形)進行精確定（dìng）量分析與研究的結果[21飊22],即通過銷軸—套筒構成的懸臂梁結構在載荷下的偏斜抵消它（tā）們彎曲時形成的偏心（xīn）,以實現行星齒輪的自我調節(既（jì）抑製偏心誤差,又均勻分配負荷)的（de）目的(圖11)。

3暋國內外在風電齒（chǐ）輪傳動係統（tǒng）設計製造技術領域的差距

      自20世（shì）紀90年代開始,在引進吸（xī）收的基礎上,我國（guó）風電裝備製造業迅速（sù）崛起,目前已經發展

      成為世界上最大的風電裝備製造（zào）基地。與先進國家相比,我（wǒ）國在自（zì）主的風電裝備（bèi）特別是核心零（líng）部件的研製技術方麵有較大的差距[23],主要表現在以下（xià）幾方麵:

      (1)歐美風（fēng）電裝備製造強國已經（jīng）針對本土風場環境建立（lì）了比較完善的技術標（biāo）準(如IEC、GL等),並以此（cǐ）為基礎形成了適合其特（tè）點的載荷分析、結構設計及製造技術體係。我國風場環境較歐美國家惡劣,目前卻仍然沒有建（jiàn）立起具有本國特點的風場環境（jìng）載荷譜;在風電裝備（bèi）的係統動力學建模（mó）、載荷分析與計算等方（fāng）麵的研究與國際先進水平差距相對較大;本土企業大多直接購買國外的軟件(如GH 等)進行（háng）裝備設計或者（zhě）購買圖紙甚至於借助（zhù）逆向工程。這是目前我國本土風電（diàn）裝備開發能（néng）力顯著（zhe）落後於國（guó）際先進（jìn）水平的直接原因之一。

      (2)在風電裝備關鍵零（líng）部（bù）件的失效機理和全壽命安全評定方（fāng）麵,目前（qián）國際風電裝備普遍設計的穩定運行周期（qī）至（zhì）少為20年,歐美國（guó）家目前正在開發能支撐裝備25~40年服役（yì）周期的（de）關鍵技術。借助於歐美國家在材料（liào）的機械物理（lǐ）性能研究上的優勢及其長期工（gōng）作積累,歐美國家在風電裝備關鍵（jiàn）零部（bù）件的失效問題上做了大量的工作,從宏微觀層麵（miàn）深入研究了零部件失效的規律,形成了較為實用的可靠性分析方法,並（bìng）建立了大（dà）型的設（shè）備—材料可（kě）靠性數據庫等。比較而言,國內風電裝備通常在運轉5年之內就（jiù）會出現關（guān）鍵故障。這主要是因為我國在風電裝備基礎設（shè）計製造科學方麵與國際先進水平存在著明顯的差距,本土風電裝備製造企業雖然（rán）發（fā）展迅速但自主研發（fā）能力不足（zú）,研究積累更為欠缺。

      (3)在滿足複雜環境下安全服役需求的大型（xíng）風電裝備製造技術方麵,根據歐（ōu）洲風能（néng）協會 (EWEA)2011大會披露的未來（lái）10年風電裝備發展路線圖（tú）,歐美國家已經製定了在5年內（nèi）開發測試10~15MW 的風電裝備,未來（lái）10年將開發測試20MW 的超（chāo）大型風電裝（zhuāng）備,這涉及了包括多尺度結構熱冷（lěng）加工和處理在內的（de）關鍵零部件成（chéng）形控性理論及其製造工（gōng）藝（yì）方法等多方麵的工作。目前我（wǒ）國基本掌握了3MW 以下風電裝備的主（zhǔ）要製造技（jì）術。由於我國在關鍵零（líng）部件加工及處理技術上還比較落後,裝備的（de）質量（liàng）亟待提高。要（yào）在未來10年追趕歐美國家在超大型(10~20MW)、長（zhǎng）壽命 (20年甚（shèn）至更長)風電裝備關鍵技術（shù）上的研究步伐,仍然是一個巨大的挑戰。

      (4)近幾年來（lái）國內大（dà）型風電裝備製造發展迅速,產業界多（duō）將注（zhù）意力放在國外產品圖（tú）紙的消化和零部件加工上,對裝配工作的重視還不夠,對裝配精度及質量分析等的深入研究工（gōng）作就更少（shǎo）了,這就造成國內風電設備零部件加工的設施及質量已經達到一定的水平,但由於裝配技術瓶頸,風電裝備的總成性能和可靠性（xìng）卻比較低的現狀。另外,還明顯存在（zài）諸（zhū）如高強連接螺栓斷（duàn）裂、螺栓力矩不足或超標、齒輪齧（niè）合間隙超（chāo）差過（guò）大（dà）、關鍵零部件在（zài）裝配時（shí）發生損傷破壞(如軸表麵存在凹坑、對中精度不足)等技術質量問題[24]。裝配是風電齒（chǐ）輪箱製造中的重要環節,花費時間長,對最終性能影響（xiǎng）大,必須深入（rù）研（yán）究大型風電齒輪傳動（dòng）係統的先進裝配技術,提出適應風（fēng）電設備的技術特點、具有可操作性的理論和方法（fǎ）,為產業健康發展服務。

      國內風電裝備的（de）產（chǎn）業發展(包括傳動結構的設計製造中存在的隱患)近年來已經廣受關注,例如張（zhāng）立勇等[25]指出,國內（nèi）大型風電齒輪傳動係統的發展必須解決基礎載荷（hé）數據及載荷處理方（fāng）法、齒輪（lún）早期（qī）點蝕、軸承早期（qī）損壞、大型斜齒內齒圈製造及密封等方麵的迫切問題。其實,隱（yǐn）藏在我國風電裝備製造企業（yè）自主開發能力弱這一表象下的實質是複雜工作條（tiáo）件下大型化、長壽命、高可靠性風電裝（zhuāng）備關鍵零部件的製造科學研究的不足以及係統運行監測控製與壽命安全評估領域的顯（xiǎn）著差距。因此,在“大型化、長服役（yì）周期、高可靠性暠已經成為（wéi）未來10年世界風電裝備發展方向的大背景下,研究傳動係統的損傷故障機理,探索先進設計製造工藝已成為（wéi）提高我國風電傳動係統自主設計製造技術水平的必由之（zhī）路。

4結語

      近年來世界各國在“超大（dà）型、長服役周期、高（gāo）可靠性暠風電裝備製造技術的研究正走向一個高（gāo）潮。這些（xiē）研究工作也為我國通過6~10MW 乃（nǎi）至以（yǐ）上的大型風電（diàn）裝備的研製,突破關鍵零部件的損傷規律、關鍵零部件（jiàn）製造（zào）工藝與技術等挑戰,形成（chéng）自（zì）主的風電裝備製造理論,指明了重要的研究方向:必須從基礎（chǔ）做起,牢牢把握風電裝（zhuāng）備外部交變載荷的作用特點,以複雜載（zǎi）荷下齒輪（lún）傳動係統中結構動（dòng）力學的響應機（jī）製為基礎,深入探索關鍵零部件損（sǔn）傷的演變與性能的退化規律,從結構設計、材料工藝等方麵提出能夠確保複雜工作條件下關鍵零部（bù）件性能穩定的理論方法;進而針對目（mù）前困（kùn）擾國內大型風電齒（chǐ）輪傳動係統設計製造的幾個關鍵（jiàn）技術問題,特別是齒輪的失效與製造（zào）工藝改進（jìn）、軸（zhóu）承損（sǔn）壞、行星輪係的均載設計與製造工藝改（gǎi）進、裝配（pèi）工藝的優化與質量提升等問題,開展應用技（jì）術研究以改（gǎi）善大型風電齒輪箱的可靠性。這對於推（tuī）動我國大型（xíng）風電裝備傳動係統（tǒng）研製技術的跨越式發展,提升我國重（chóng）大工程裝備的先進（jìn）製造水（shuǐ）平與（yǔ）競爭力,促進我國整個新能源產業的發展,都具有十分重要（yào）的意義。