摘要（yào）:大型化（huà）、高可靠性、長服役周期已經成（chéng）為當今世界風電裝備發展的（de）方（fāng）向,這（zhè）給大型風電裝備的傳動齒輪箱的設計製造技術帶來了（le）一係列的挑戰。統計結（jié）果表明,影響風電齒輪傳動係統服役（yì）的關鍵問題是關鍵機械（xiè）零部件的失效故（gù）障。近年來各（gè）國在（zài）關鍵零部件損傷失效機（jī）理方麵開展的基礎研究工作,為風電齒輪箱係統（tǒng）的先進設計製造技術的研究與（yǔ）發展奠（diàn）定了堅（jiān）實（shí）的基礎。必須（xū）緊扣風電齒（chǐ）輪箱設（shè）計製造技術的基礎理論和發（fā）展方向,才能真正縮短我國與世界先進國家在風電傳動係統的設計製造水（shuǐ）平方麵的顯著技術差距。

關鍵詞:風電齒（chǐ）輪箱;失效問題;設計製造技術;研究展望

0引言

      近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。以華（huá）銳風電科（kē）技(集團)股份有限公司、金風科技股份有限（xiàn）公司、國電（diàn）聯（lián）合動力技術有限公（gōng）司為代表（biǎo）的一批本土風電裝備及關鍵零（líng）部件製（zhì）造企業（yè）正在迅速崛起,推動我國發展成為世界上最大的風電裝備製造基地。但（dàn）我國自主風電裝備製造仍然麵臨著一些深（shēn）層次的問題,值得（dé）深（shēn）思,且（qiě）直接體現（xiàn）在（zài）以下兩方麵:一是中國區（qū）域氣候特點明顯（xiǎn）,北方具有沙塵、低溫、冰雪等惡劣工況,東南（nán）沿海具有台（tái）風、鹽霧等惡劣工況（kuàng）,這與歐洲的標準風況（kuàng）(IEC61400-1)差異明顯,使得在引進技術基礎上製造的風電裝（zhuāng）備的可（kě）靠性不足,故障率較高。我國北方的大型陸上風場（chǎng）普遍存在的長時間幹（gàn）燥揚塵的低溫氣候,對風電機組正常運行的影響非常大（dà）,會導致葉片（piàn）表麵損傷乃（nǎi）至脆斷（duàn）,而且液壓係統密封不良、汙染、液壓油黏（nián）度增大等會產生工作不良及安全問題,齒輪箱密封潤滑係統功能退化、低溫（wēn）停機（jī）較（jiào）長時間後變速箱（xiāng）內油溫低、黏稠等都會降低係統壽命[1],而西歐的海洋性暖（nuǎn）溫帶氣候則要溫和得多,對風電設備的性能影響也小。二是當前國內的風機開發與歐美發達國家還存在（zài）著明顯代差。歐美風電裝備（bèi）製造企業已經跨域了5~6MW 的水平,正在大力推進（jìn）10MW 級風電裝備的（de）研製工作,而國產主流機型還處於1灡5~3MW 的級別。更重要的（de）是我國風電（diàn）製造企業（yè）在核心技術上基本處於引進吸收和模仿（fǎng）階（jiē）段（duàn）,尚未具備係統性的裝備自主研發能力（lì）,引進的是（shì）產品線及部分生產技術,但是沒有形成係統的（de）設計開發能力（lì）和生產技術開發能力（lì）。這也是我國在風電裝備開發、生產和應（yīng）用上與國際先進水平差距顯（xiǎn）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（shù）風電裝備製造企業的技術能力與實際的設備可靠運行（háng）要求之間還存在著顯著的差距。從風電裝備服役運行中的主要技術（shù）問（wèn）題做起,探究相關（guān）的設計製造科學理論與（yǔ）先進技術方法,提升（shēng）自主設計能力及（jí）製造技術能力,已成為我國風電裝備製造產業健康發展的重大課題。因此,《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》和（hé）《國務院關於加快培（péi）育和發展戰略性新興產業的（de）決定（dìng）》 (2010)中都明確提出了“重點（diǎn）研（yán）究開發大型風力發電設備暠（gào）、“提高風電技術裝備水平,有序推進風電規模化發展暠等要求。

      總體上說（shuō）,因主傳動鏈機械故障導致（zhì）停機的時間占據了風機故障停機時間的40%~60%甚（shèn）至更多,是影響係統性能和可靠服役的關鍵問題（tí） (國產風（fēng）電齒輪箱的問題更顯（xiǎn）著一些)。導（dǎo）致這些（xiē）機械故障產生的主要外在因素可以歸（guī）納（nà）為極端氣候條（tiáo）件、長期交變載荷作用、惡劣工作環境與（yǔ）複雜載荷的綜（zōng）合作用等,而主要的內在原因則可以追溯到傳動係統的（de）結構及（jí）裝配質量技（jì）術等問題。目前新一代風機隨著單機（jī）容量的增大,部件的尺（chǐ）寸、質量、係（xì）統複雜程度都在增加,同時包括海上風機（jī）在內的裝備發展對係統可靠性的要求在進（jìn）一步提高（gāo）,因此對傳動係統的相（xiàng）關問題如果不給予更大重視,必（bì）然（rán）會增加係統的故（gù）障率,降低服役可靠性。

      本（běn）文從（cóng）近年來風電裝備批量投入運行之後出現的技術問題入手,重點討論了國內（nèi）外在風電齒輪箱的關鍵失效規律研究與相應的新型設計製造技術方麵的進展,對目前風電齒輪箱設計製造（zào）方麵國內外的（de）技（jì）術差距提出了一些看法。

1暋關鍵零部件（jiàn）的失效問題調查與分析

      根據國內外近年來的風電裝備故障統（tǒng）計數據,MW 級風（fēng）電裝備的故障主（zhǔ）要集中在齒（chǐ）輪箱、發電機、低速軸、高速軸、槳葉、電氣係統、偏航係統、變槳係統、控製係統等關鍵部件(圖1),傳動鏈特別是齒輪箱係統中由關鍵零部件失效引發故障而（ér）導致停機的時間占機組總停機時間的（de）比例居高不下,成為影響機（jī）組可靠性的主要原因之（zhī）一[2]。

      1.1暋風電齒輪箱中存在的主（zhǔ）要技術問題齒輪箱係統作為整個風機（jī）係統的核（hé）心部（bù）件,受到通過（guò）葉（yè）片係統傳遞來的低（dī）速（sù）強載荷的（de）擾動衝擊作用,同（tóng）時承載齒輪箱的機艙係統在陣風作用下也有較大幅度的擺動,再加上（shàng）內部的溫度（dù）及（jí）潤滑狀態的變動,因此,關鍵零部件(齒輪、軸（zhóu）承、主軸等)的失效等問題是目前最主要、影響（xiǎng）最大的裝備故障。近幾年（nián）來,國內外學者們圍繞著風電裝（zhuāng）備傳動係統的（de）失效問（wèn）題,開展了一係列的調查（chá）研究[3](圖2)。根據國內（nèi）外關於風電齒輪（lún）箱質量（liàng）問題的統計,常見故障（zhàng）主要有以下幾類[4]:

      (1)齒（chǐ）輪輪齒損傷。輪齒的損傷是目前比例大且影響相對較大的損傷形式(圖3~圖5)。風電增速（sù）箱上承（chéng）受的載荷變化比較大,特（tè）別是由極限風速或湍流工況引起的係統過載以及由調距（jù）或機械製動等引起的瞬（shùn）時峰值載荷,盡管瞬（shùn）時峰值載荷在整個運行周（zhōu）期中作（zuò）用時間不長,但是卻對齒輪特別是齒麵損傷有極（jí）大影響。輪齒（chǐ）齒麵損傷（shāng）的常見規律可歸納為“點蝕—剝落—斷（duàn）齒暠三部曲。考慮到潤滑不良、熱（rè）處理和安裝調試等狀況,由於齒麵在交變載荷下承受過大的接觸剪（jiǎn）應力、過（guò）多的（de）應力循環次數,因此（cǐ）齒麵容（róng）易發生膠合、點蝕、齒麵剝（bāo）落、表麵壓碎等損傷。比較典型的是行星輪係,行星輪在運（yùn）轉過程中總是雙向受力,受齒輪精度、強度的影響,容易出（chū）現（xiàn）疲勞斷齒現象;太陽輪具有結構小（xiǎo）、載荷大的特點（diǎn）,其精度保持性（xìng）低,易誘發失效。

      (2)軸（zhóu）承問（wèn）題。軸承是（shì）齒輪箱中另一個重要故障源。在載荷作用下,由於安（ān）裝、潤滑、汙染（rǎn）和工作（zuò）環境等因素,軸（zhóu）承出（chū）現了磨損、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（xiào）,從而使（shǐ）齒輪箱發生損壞 (圖6~圖7)。例如在低速輸入端,低速重（chóng）載情況比較典型,良好的潤滑條件難以形成,這是造成主軸軸承損壞（huài）的重要原因。目（mù）前比較（jiào）典型的是（shì）高速端的軸承（chéng）,它更容易出問題,因為發電機軸和齒輪箱高速軸連（lián）接中通常存在角度偏差和徑向偏（piān）移,它們隨輸出功率的變化而變化;這會產生一定頻率（lǜ）的軸向（xiàng）和徑向的擾動力,從而引起軸承溫升而使軸承損壞。

      (3)密封與潤滑相關問題。齒輪箱漏（lòu）油問題大多可歸結為原有結構缺陷在惡劣工作（zuò）環境影響下的結果。齒輪箱的接（jiē）口端（duān）和管接頭處由於存在密封結構的設計不合（hé）理或者密封質量問題(包括低（dī）溫和振（zhèn）動載荷情況下的油封老化等),均有（yǒu）可能（néng）發生漏油,同時漏油處也容易造成外部灰塵進入箱（xiāng）體而汙染潤滑油。傳動係（xì）統的潤滑問題也非常突出,傳動（dòng）鏈及齒輪箱中各類由潤滑不充分導致的問題出現得也較多。潤滑不充分非（fēi）常容易導致傳動副的關鍵接觸區的幹（gàn）磨,這是齒麵、主（zhǔ）軸、承等磨損的根源之一。例（lì）如,在低（dī）速重載的齒輪傳動中,要求潤滑脂黏附性（xìng）強、承載力（lì）大（dà）,一般采用（yòng）添（tiān）加二硫化鉬（mù）或石墨的高黏度潤（rùn）滑脂進行潤（rùn）滑;國內有時把用於主軸軸承的（de）潤滑脂(低黏附性、高流動性)用來做齒輪的潤滑脂,造成齒麵潤滑脂流失過快從而（ér）形成少（shǎo）潤滑狀況。又如高速端的圓錐滾子軸承承受了一定的軸向力（lì）,潤滑條件較差（chà）時就會出現高（gāo）溫過（guò）熱情況。另（lìng）外,長期運（yùn）轉之後在接觸部位出現了磨（mó）損,潤滑油質會包含雜質汙染,引起（qǐ）過熱（rè）等故障。此外（wài）,我國（guó）北（běi）方寒冷的氣（qì）候條件也（yě）會影響到潤滑係統（tǒng）,比如氣溫較低時（shí）潤滑油黏度較高,機組（zǔ）啟動時可能導致油泵過載。

      (4)總的結構與裝配方麵的問題（tí）。大型風電傳動齒輪箱（xiāng）區別（bié）於普通（tōng）齒輪箱的（de）最大特點就在於所承受載荷的（de）無規律性(風速多為3~25m/s),當前主（zhǔ）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（zhí）的3~4倍(反（fǎn）轉可以達到2倍左右)。這對風電傳動係（xì）統中剛度（dù）較（jiào）低的空（kōng）心低速中（zhōng）間軸、行星輪（lún）係等零（líng）部件的影響相當顯著（zhe）,因為主流3MW 齒（chǐ）輪箱的長和寬通常在3m 以上,總質量在20t以上,輸（shū）入（rù）力矩在2MN·m 左右（yòu）,在這個尺度上,材料加工問題、輸送和組裝過程（chéng）中的損壞、轉子的不對稱導致產生彎曲現象,而連接部件的軸偏心、軸承和支撐部件的組裝有誤等各（gè）類（lèi）技術（shù）原因[5]導致的零部件製造、裝配誤差（chà）的絕對值相（xiàng）對較大（dà）。風電齒輪箱（xiāng）中傳動係的裝配偏心誤差、齒距誤差及（jí）平行度（dù）誤差（chà）等,在（zài）複雜（zá）載（zǎi）荷 (特別是在超過設計負荷下工作時導致扭矩過大)下會進一步惡化傳（chuán）動件的配合接觸狀（zhuàng）態,擴大輪係結構的偏心誤差等,從而誘發振（zhèn）動問題,進而導致應力集中加劇及結構（gòu）失效等現象的（de）出現(圖8)。張立勇[6]認為,內齒圈偏心誤差對齒輪箱中的載荷分布不（bú）均勻的（de）影響最大。

      受（shòu）無規律變向載荷的風力乃至於強陣風的衝擊作用,風電裝備常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的（de）影響以及風沙和近海鹽霧的侵害,因而傳動係（xì）統關（guān）鍵零（líng）部件的故障———齒輪、軸承、主軸的失效以及油液等問（wèn）題目前影響最大（dà）,其（qí）失效機理研究已成為長壽命（mìng）、高可靠性風電裝備製（zhì）造中的世界性難題。在我（wǒ）國,由於材料、製造等基礎工（gōng）業上的落後,傳動係統的失效故障問題非常突出,更需要從引發係統失效的科學規律（lǜ）方麵進行深入研究。

      1.2傳動係統失效（xiào）的規（guī）律（lǜ）研究（jiū）

      最（zuì）近（jìn）20多年來,歐美國家的風電裝備基礎研究取（qǔ）得了很大（dà）的進步,他（tā）們通過廣泛而持續的（de）故障調查,係統研（yán）究失效的（de）過程與故障發生的規律。一些著名（míng）的研究機構,如美國可再生能源國家實驗（yàn）室(NREL)、Sandia國家實驗室的風電研究所（suǒ）、丹麥技術大學可持續能源國家實驗室(Ris熈DTU)等所完成的研究成（chéng）果為世界風電裝（zhuāng）備的大發展提供了（le）關鍵的理論基礎。NREL在2007年開始的齒輪箱可靠性協同研究（jiū）(gearboxreliabili灢tycollaborative,GRC)項目[7飊8]是近年來所開（kāi）展的最具影響的風電齒輪（lún）箱技（jì）術調查和研究工作之一,該研究（jiū）從廣泛的齒輪箱失效數據庫建設開（kāi）始,對當前風電齒輪（lún）箱及關鍵的齒（chǐ）輪、軸承等的分析方法與模型的有（yǒu）效（xiào）性做了大量的評估,在一係列風機齒輪箱係統的故障調查和技術研究後,指出（chū）約10%的風電機組傳動係統故（gù）障來源於齒輪製造過程的缺陷和質量問題（tí）,而多數源於疲勞失效,其基本規律如下:初期源自（zì）承受惡劣外載的軸承安裝位置（zhì）,在交變應力的作（zuò）用（yòng）下產生接觸疲勞裂紋及表麵磨損,出現剝落現象;表麵磨損、殘屑、間（jiān）隙超差（chà）及錯位等因素相互促進並放大,影響到軸承（chéng）的配（pèi）合;進而導致齒輪的運轉產生偏差（chà）,發生磨損、疲勞、膠合乃至（zhì）裂（liè）紋（wén）,最終導致齒輪失效。美國Timken公司（sī）的調查認定[9],影響主軸（zhóu）滾動軸承磨損的主要原因不是傳統的轉動接觸疲勞,而是低周微點蝕磨損(low-cycle micropittingwear)。由於主軸軸承的轉速為10~20r/min,不足以（yǐ）長（zhǎng）期形成（chéng）穩定可靠（kào）的潤滑油膜厚度。因此,下風(downwind)條件下在較大的載荷、較高的應力循環以（yǐ）及過小的油膜厚度等情況下,滾子滾道（dào）接觸（chù）表麵發生（shēng）了滑動,摩擦剪應力導致粗糙表麵（miàn）接觸應力的增（zēng）大,並在表麵附近產生了最大值。更廣泛的調查研究還表明,除了主軸（zhóu）調心滾動軸承以（yǐ）外（wài）,這種微點蝕（shí）現象也是齒（chǐ）輪箱軸承以（yǐ）及傳動齒輪本身失效的重要原因之（zhī）一（yī）。趙玉良等[10]所做的經驗性質的工作也（yě）佐證了低速齒輪係統中微點蝕的發生發展機理及其對齒輪傳統（tǒng）的性能損（sǔn）害,進而指出了係統潤滑條件對微點蝕的抑製（zhì）作（zuò）用。

      筆者所在單位近年來與中（zhōng）國國（guó）電集團“風電設備（bèi）及控製國家重點實（shí）驗室暠在風電製造技術基礎（chǔ）科學（xué）研究工作方麵合作較多,對我（wǒ）國多家骨幹風電設備整機、齒（chǐ）輪箱製（zhì）造企業（yè）進行過廣泛的企業調查。近期對國產風電齒輪傳動係統進（jìn）行了（le）一些地（dì）麵（miàn）全尺寸試驗（yàn）,對主流MW 級風電裝備（bèi）的齒輪-傳動軸-箱體係統在耦合振動條件下的動力學特性進行了全麵分析,理論分析和應用實踐都表明,國產風電（diàn）齒輪傳動係統與國外技術（shù）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（tǒng）故障（zhàng）的直接技術根（gēn）源,主傳動鏈在結構（gòu）性能（néng）上具有明（míng）顯的（de）剛柔耦合特點,在惡劣載荷（hé）條件下,裝配誤差（chà）(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（shēng）疲勞（láo）失效。

      不過,目前對傳動係統失效原因及規律的研究還有很大的發展（zhǎn）空間,例如大多數研究都是（shì）從各自接觸到的實際情況和部分實（shí）驗出發歸納出零部件失效的規律,但對風電傳動係統主要零部（bù）件的（de）失效（xiào）原（yuán）因及其作用規律的認識不一（yī）,部分原因在於零部件在複（fù）雜載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（piàn）到低速輸入軸、軸承、齒輪、高速輸出軸、發電機等構（gòu）成了主傳動鏈,加上偏航（háng）係統、變槳係統、液壓係統、潤滑係統等,形（xíng）成了非常複雜的強關（guān）聯強耦合體係。這給零部件的損傷演變規律分析帶來了較大的挑戰。

      (2)外部交變載荷與極端載荷,以及大（dà）慣量機組係（xì）統對外部變化（huà）的響應（yīng）,極大地增（zēng）大了關鍵（jiàn）零部件的損傷概（gài）率,也增加了其（qí）失效（xiào）規律研究的複雜性。

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

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

2提（tí）升關鍵零部件可（kě）靠性的設（shè）計、製造技術研究

      為了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（shì）齒輪、主軸、軸承等關鍵零部件的結構設計、製造工藝(包括材料加工工藝及表麵處理工藝等)都提出了嚴格要（yào）求。基於（yú）大（dà）量的實驗、理論分（fèn）析及仿真研（yán）究,國外許多學者針對傳動（dòng）係統關（guān）鍵零部（bù）件在複雜載荷條件下的結構、材料性能及表麵物理特征等的變化規律方麵進（jìn）行了大量（liàng）科學研究工作,力圖以零（líng）件的“載荷狀態—材料性能—接觸連接條件暠的一體化分（fèn）析研究為基礎,找出零部（bù）件裂紋擴展、表麵微粒磨損脫（tuō）落（luò）等失效過程與零件載荷、應力分布與變化的（de）關係（xì）,從而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,考慮到風電齒輪長期承受非對稱載（zǎi）荷的典型特點,設（shè）計非對稱齒形的齒輪（lún）能夠優化齒輪所受應力的分布,即通過對（duì）齒麵進行非對稱修形或直接加工非對稱（chēng）齒（chǐ）形所製造出來的新型齒輪,能夠顯著改善（shàn）齒輪承受的應（yīng）力情況:彎（wān）曲應力（lì）比當前最好的對稱齒形齒輪減小10%~15%,從而顯著提升齒輪的（de）可靠性（xìng）和安（ān）全服役性能(圖（tú）9)。

      通過對零件表麵（miàn）物理特性的理論研究,找出零部件（jiàn）表麵的材料宏（hóng）觀失效與微觀結構變化的（de）關係,從而廣泛開展保持零（líng）件表麵機械物理性能穩定的（de）先進製造工藝技術研究[12飊13],對於通過製造工藝的改進來提高風電齒輪（lún）的可靠性也有重要意義（yì）。美國開展了以40年係統服役周期和5年關鍵零部件質量保證（zhèng）期為目標的大型風電機（jī）組關鍵

      部件長壽命（mìng）抗失效的材料（liào）處理技術的研究工作, LaPlante[14]介紹了能夠顯著改善大型風電齒輪表（biǎo）麵的機械物理性能,采用高（gāo）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)的直接（jiē）滲碳淬火（huǒ）(in灢tegralquenching,IQ)工藝(圖10)。邢大誌[15]針對內齒直徑大於1灡5m 的大型風電用內齒圈的強化（huà）熱處理問題,從工藝實踐經驗出發,對比普通（tōng）滲（shèn）碳淬火、感應淬火、氮（dàn）化等工藝在（zài）畸變、齒根圓強化能力、工藝穩定性（xìng）、設備成本等方麵的特點,指出了（le）將激光淬火技術應用於大型內齒圈（quān）熱處理的技術（shù）優勢:激光淬火的硬化層深度、工藝穩（wěn）定性能居中,但是它能較好地解決齒根圓的強化（huà）問題,並（bìng）且零件淬火後的變形程度也大大優於感應淬（cuì）火;激光淬火與感應淬（cuì）火的抗衝（chōng）擊能力接近（jìn）,數據的離散性也（yě）比感應淬火小。從整體上看,強（qiáng）調材（cái）料熱處理的重要原因是要保證齒輪的疲勞強度和加工精度。在風載頻繁變化（huà）下,齒輪(特別是齒麵（miàn）)失（shī）效與接觸（chù）精度和硬（yìng）化表層物理（lǐ）冶金因素有關;由（yóu）於齒輪箱（xiāng）變速比大,為了提高齒輪強度、傳動平穩性及可靠性,同時減小尺寸和質量,表（biǎo）麵強化工藝也至關重（chóng）要。因此,在美國（guó）ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《風力發電機齒輪（lún）箱設計規範》的52 項質量控（kòng）製項目中,材料熱處理（lǐ）就占20

      改進軸承的設計製造技術以抗擊疲（pí）勞點蝕磨（mó）損從而提高係統的性能,也是一個非常重要的研性的潤滑失油期間對黏著磨損形成有效防護（hù）,以抵製黏著磨損機製所導致的（de）擦（cā）傷、微點蝕及微動磨損等;滾子經特殊設計製造能降低套圈（quān）滾道的表（biǎo）麵粗糙度;將套圈滾道拋光,能減少滾動力（lì）矩,提高效（xiào）率。美（měi）國Timken公司在表麵抗磨技術上的研究成果（guǒ）使得新型耐磨（mó）軸承比一（yī）般主軸和齒輪箱軸承的壽命延長了3灡5倍[9]。另（lìng）外,針對8~10MW 風（fēng）電機組,Siebert等[17]研（yán）究了高性能潤（rùn）滑油對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（kàng）疲勞（láo）性能、承受多變載荷（hé）的能力、熱穩定（dìng）性,延長服役壽命。

      此外,由於傳動（dòng）係統（tǒng）的製（zhì）造、裝配誤差對多數機械疲勞失效的發生有著直接的影響,在惡劣外（wài）載（zǎi）的（de）作用下,傳（chuán）動結構的變形和偏心（xīn）等誤差與零件的損傷、磨損之間存在著明顯的雙向加劇作用（yòng）,因此,提（tí）高傳動結構的精密製造及裝配技（jì）術水平也具有極其重要的現實意義。結（jié）合風電傳動係統的複雜外載條件,深（shēn）入研究實際結構的剛柔耦合特性和係統裝（zhuāng）配誤差(偏（piān）心、側（cè）隙、交錯等)的傳遞與積累規律,就能通過準確的裝配質量分析、評估和規劃為高性能風電傳動係統的設計製（zhì）造（zào）服（fú）務。林騰蛟等[18]研究了齒輪齧合中載荷、表麵（miàn）粗（cū）糙度、殘餘應力及輪齒修形量對齒輪副疲（pí）勞壽命的影響規律,為改進齒輪齧合結構的製造工藝,改（gǎi）善表麵精度與製造,進而提高齒輪副的疲勞壽命提供了啟示。李明[19]指出,風電裝配中常用的過盈連（lián）接對軸心彎（wān）曲的影響較大,因此在（zài）鼓形修整時需（xū）要考慮過盈連接引起的變形,分析並探討了過盈連接各參（cān）數(外載、過盈量、摩擦因數)與連接強度間的關係。再如,近年來國內外針對行星齒輪的裝配結構偏心問題發（fā）展（zhǎn）起來的柔性銷軸技術 (如MAAG[20]、重慶望江等風電齒輪箱製造企（qǐ）業都使用了相關的技術),更是在考慮結構彈撓性的基礎（chǔ）上對行星輪係的裝配偏差(及（jí）變形)進行精確定量分（fèn）析與研究的（de）結果[21飊22],即通過銷軸—套筒構（gòu）成的懸臂梁（liáng）結構在載荷下的偏斜抵消它們彎曲時形成（chéng）的（de）偏心,以實現行星齒輪的自我調（diào）節(既抑製偏心誤差,又均勻分（fèn）配負荷)的目的(圖11)。

3暋國內外在風電齒輪傳動（dòng）係統（tǒng）設計製造技（jì）術領域的差距

      自20世紀90年代開始,在引進吸收的基（jī）礎上,我國風電裝備製造業迅速崛起,目前（qián）已經發展

      成為世界上最大的風電裝備製造基（jī）地（dì）。與先進國家（jiā）相比,我國在自主的風電裝備特別（bié）是核心零部件的（de）研製技術方麵有較大的差距（jù）[23],主要表現在（zài）以下幾方麵:

      (1)歐美風電裝備製造強國已經（jīng）針對本土風場環（huán）境建（jiàn）立了比較完善的技術標準(如IEC、GL等),並以此（cǐ）為基礎形成了適合其特點的載荷分析、結構（gòu）設計及製（zhì）造技術體係。我國風（fēng）場環境較歐美（měi）國家惡劣,目前卻（què）仍然沒有建立起具有本國特點的（de）風場（chǎng）環境載荷譜;在（zài）風電裝備（bèi）的（de）係統（tǒng）動（dòng）力學建模、載荷分（fèn）析（xī）與計算等方麵（miàn）的（de）研究與（yǔ）國際先（xiān）進水平（píng）差距相對較大;本（běn）土企業大（dà）多直（zhí）接購買國外的軟件(如GH 等)進行裝備設計或者購買（mǎi）圖紙甚至（zhì）於借助逆（nì）向工程。這是目前我國本（běn）土風電裝備開發能力顯著（zhe）落（luò）後於（yú）國際先（xiān）進水平的直接原因（yīn）之一。

      (2)在風電（diàn）裝備（bèi）關鍵零部件的（de）失效機理和全壽命安全評定方麵,目前國際風電裝（zhuāng）備普遍設計的穩定運行周期至少為20年,歐（ōu）美國家目前正在開發能支撐裝備25~40年服役周期的關鍵技術。借助於歐美國家在材料（liào）的機械物理性能研究上的優勢及其（qí）長期工作（zuò）積累,歐美國家在風電裝備關鍵（jiàn）零部件的失效問題上做了大量的工作,從宏微觀（guān）層麵深（shēn）入研（yán）究了零部件失效的規律,形成了（le）較為實用的可靠性分析方法,並建立了大型的設備—材料可（kě）靠性數據庫等。比較而（ér）言,國內風電裝備通常在運轉5年之內就會出現關鍵故（gù）障。這主（zhǔ）要是因為我國在風（fēng）電裝備基礎設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（fēng）電裝備製造企業雖然發展迅（xùn）速但自主（zhǔ）研發能力不足,研究積累更為欠缺。

      (3)在滿足複雜環境下安全服役需求（qiú）的大型風電裝備製造技術方麵,根據歐洲風能協會 (EWEA)2011大會披露的未來10年風電裝備發展路線圖,歐美國家已（yǐ）經製定了在5年內開發測試10~15MW 的風電裝備,未來10年將開發測試20MW 的超大型風電裝備,這涉（shè）及了包括多（duō）尺度結構熱冷加工和處理在內的關鍵零部件成形控（kòng）性理（lǐ）論及其製造工藝方法等多（duō）方麵的工作。目前我國基（jī）本掌（zhǎng）握了3MW 以下風電裝備的主要製造技術。由於（yú）我國在（zài）關（guān）鍵零部件加工及處理技術上還比較落（luò）後,裝（zhuāng）備的質量（liàng）亟待提高。要在（zài）未來10年追趕歐美（měi）國家（jiā）在超大型（xíng）(10~20MW)、長壽命 (20年甚至更長)風（fēng）電裝備（bèi）關鍵技（jì）術上的研究步伐,仍然是一個巨大的挑戰。

      (4)近幾（jǐ）年來國內大型風電裝備製造發展迅（xùn）速,產業界多將注意力（lì）放（fàng）在國外產品（pǐn）圖紙的消化和零部件加工上,對裝（zhuāng）配工作的重視還不夠,對裝配精度及質量分析等的（de）深入研究工（gōng）作（zuò）就（jiù）更（gèng）少了,這就造成國內風電設備零部件加工的設施及質量已（yǐ）經達到一定（dìng）的水（shuǐ）平,但由於裝配技術瓶頸（jǐng）,風（fēng）電裝備的總成性能和可靠性卻比較低的現狀。另外,還明顯存（cún）在諸如高強連接螺栓斷裂、螺栓力矩不足（zú）或超標（biāo）、齒輪齧合間（jiān）隙超差過大（dà）、關鍵零部件在裝配時發生損傷（shāng）破壞(如（rú）軸表麵存在凹坑、對中精度不足)等技術（shù）質量問題[24]。裝（zhuāng）配是風電齒輪箱製造中的重要環節,花費（fèi）時間長,對最終性能影響大,必須深入研究大型風電齒輪傳動係統的先進裝配（pèi）技術,提出適應（yīng）風電設備的技術特點、具有可（kě）操（cāo）作（zuò）性的理（lǐ）論和方法,為產業健康發展服務。

      國（guó）內風電裝備的產業發展(包（bāo）括傳動結構的設計製造中存在的隱患)近年（nián）來已經廣受關注,例如張立勇等[25]指出,國內大型風電（diàn）齒輪傳動係統的發展必須解（jiě）決基礎（chǔ）載荷數據及載荷處理方法、齒輪早（zǎo）期（qī）點蝕、軸承早期損（sǔn）壞、大型斜齒內齒（chǐ）圈製造及密封等方（fāng）麵的迫切問題。其實,隱藏在我國風電裝備製造企業自（zì）主開發能力弱這一表象下的實質是複（fù）雜工作條件下大型（xíng）化、長壽命、高可靠性風電裝備關（guān）鍵零部件的製（zhì）造科學研究的不足以（yǐ）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（zài）“大型化、長服役周期、高可靠性暠已經成為未來10年世界風電裝備發展方向的大背景下,研究（jiū）傳動係統的損傷故障機理（lǐ）,探索先進設計製造工藝已成為提高我國風電傳動係統自主（zhǔ）設計（jì）製造（zào）技術水平的必由之路。

4結語

      近年來世界各國在“超大型、長服役周（zhōu）期、高可靠性暠風電裝備製造技術的研究正（zhèng）走向一個高潮。這些研究工作也（yě）為我國通過6~10MW 乃至（zhì）以上（shàng）的大型風電裝備的研製,突破關鍵零部件的損傷（shāng）規律、關鍵零部件（jiàn）製造工藝與技術等挑戰（zhàn）,形成自主的風電裝備製造理論,指明了重要的研究方向:必須從基礎做起,牢（láo）牢把握風（fēng）電裝備外部交變載（zǎi）荷的作（zuò）用特點,以複雜（zá）載荷下齒輪傳動（dòng）係統中結構動力學的響應機製為基礎,深入探索關鍵零（líng）部（bù）件損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（líng）部件性能（néng）穩定的理論方法;進而（ér）針（zhēn）對目前困擾國（guó）內大型風電齒輪傳（chuán）動係統設計製造的幾個關（guān）鍵技術問題,特別是齒（chǐ）輪的失（shī）效與製造工（gōng）藝改進、軸承損壞、行星輪係的均載設計與製造工藝改進（jìn）、裝配工藝的優化與質量提（tí）升等問題,開展應用技術研究以改善大型風電齒（chǐ）輪箱的可靠性。這對於推動我國大型風電裝備傳動係統研製技術的跨越式發展,提升我國重大工程裝備的先進製造水平與競爭（zhēng）力,促進我國整個新能源產業的發展,都具有十分重要的意義。