摘 要：本文對風電齒輪箱設計技術及產業現狀和發展方向進行了綜述。同時，對風電齒輪箱的主流技術路線，如傳統圓柱齒輪技術路線、行星輪系與平行軸相結合的三級式技術路線、複合行星齒輪技術路線、柔性軸技術路線、功率分流技術路線以及「融合技術路線」分別進行了總結和探討。
引言
風電產業的飛速發展促成了風電裝備製造業的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，備受國內外風電相關企業和研究機構的關注。齒輪箱不僅是整個風電機組中成本較大的部件之一，大約佔風電機組總成本的18% 左右，而且是風電機組中的薄弱環節之一。[1]
由於國內風電齒輪箱的研究起步較晚, 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，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發研究，真正掌握風電齒輪箱的設計和製造技術，以實現風電機組國產化的目標。
特別是近年來，為了提高風能利用率和發電效益，風力發電機組正向著增大單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率及機組可靠性等方向發展。因此大兆瓦級的風電機組將逐漸成為未來研發的重點，而其中最重要的問題就是如何選取適合發展需求的齒輪箱技術路線。基於該問題，本文列舉了現階段國內外幾種主流的齒輪箱技術路線，重點從各種技術路線的特點出發，對各種路線的優缺點進行綜合的分析。
1 風電齒輪箱設計技術及其現狀
與其他工業齒輪箱相比， 由於風電齒輪箱安裝在距地面幾十米甚至一百多米高的狹小機艙內，其自身的體積和重量對機艙、塔架、基礎、機組風載、安裝維護費用等都有重要影響。因此，減小外形尺寸和減輕重量顯得尤為重要。同時，由於維修不便、維修成本高，通常要求齒輪箱的設計壽命為20 年，對可靠性的要求也極其苛刻。由於尺寸和重量與可靠性往往是一對不可調和的矛盾，因此風電齒輪箱的設計製造往往陷入兩難的境地。總體設計階段應在滿足可靠性和工作壽命要求的前提下，以最小體積、最小重量為目標進行傳動系統設計方案的比較和優化；結構設計應以滿足傳遞功率和空間限制為前提，盡量考慮結構簡單、運行可靠、維修方便等因素。[2]
箱體、行星架、輸入軸等結構件的加工精度對齒輪傳動的嚙合質量和軸承壽命等都有十分重要的影響，裝配質量的好壞也決定了風電齒輪箱壽命的長短和可靠性的高低。我國在結構件的加工和裝配精度等方面從重要性認識到裝備水平都與國外先進水平有一定的差距。高品質、高可靠性風電齒輪箱的獲得，除了先進的設計技術和必要的製造裝備外，離不開製造過程每一個環節的嚴格質量控制。
國外兆瓦級風電齒輪箱是隨著風電機組的開發而發展起來的，RENK，FLENDER 等風電齒輪箱製造公司採用將先進的設計技術與試驗測試相結合的方法，大大提高了產品的經濟性和可靠性。我國的風電齒輪箱行業自2007 開始進入快速發展的軌道，以南京高速齒輪箱有限公司為代表的齒輪箱廠或是增強自身的研發能力，或是擴大自身的產能。儘管如此，我國風電齒輪箱仍是風電設備國產化中的薄弱環節。雖然多數廠家通過各種渠道與國外先進的設計公司進行合作，但在設計的水平，經驗的積累和人才的儲備方面仍需不斷的努力。
摘 要：本文對風電齒輪箱設計技術及產業現狀和發展方向進行了綜述。同時，對風電齒輪箱的主流技術路線，如傳統圓柱齒輪技術路線、行星輪系與平行軸相結合的三級式技術路線、複合行星齒輪技術路線、柔性軸技術路線、功率分流技術路線以及「融合技術路線」分別進行了總結和探討。
引言
風電產業的飛速發展促成了風電裝備製造業的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，備受國內外風電相關企業和研究機構的關注。齒輪箱不僅是整個風電機組中成本較大的部件之一，大約佔風電機組總成本的18% 左右，而且是風電機組中的薄弱環節之一。[1]
由於國內風電齒輪箱的研究起步較晚, 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，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發研究，真正掌握風電齒輪箱的設計和製造技術，以實現風電機組國產化的目標。
特別是近年來，為了提高風能利用率和發電效益，風力發電機組正向著增大單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率及機組可靠性等方向發展。因此大兆瓦級的風電機組將逐漸成為未來研發的重點，而其中最重要的問題就是如何選取適合發展需求的齒輪箱技術路線。基於該問題，本文列舉了現階段國內外幾種主流的齒輪箱技術路線，重點從各種技術路線的特點出發，對各種路線的優缺點進行綜合的分析。
1 風電齒輪箱設計技術及其現狀
與其他工業齒輪箱相比， 由於風電齒輪箱安裝在距地面幾十米甚至一百多米高的狹小機艙內，其自身的體積和重量對機艙、塔架、基礎、機組風載、安裝維護費用等都有重要影響。因此，減小外形尺寸和減輕重量顯得尤為重要。同時，由於維修不便、維修成本高，通常要求齒輪箱的設計壽命為20 年，對可靠性的要求也極其苛刻。由於尺寸和重量與可靠性往往是一對不可調和的矛盾，因此風電齒輪箱的設計製造往往陷入兩難的境地。總體設計階段應在滿足可靠性和工作壽命要求的前提下，以最小體積、最小重量為目標進行傳動系統設計方案的比較和優化；結構設計應以滿足傳遞功率和空間限制為前提，盡量考慮結構簡單、運行可靠、維修方便等因素。[2]
箱體、行星架、輸入軸等結構件的加工精度對齒輪傳動的嚙合質量和軸承壽命等都有十分重要的影響，裝配質量的好壞也決定了風電齒輪箱壽命的長短和可靠性的高低。我國在結構件的加工和裝配精度等方面從重要性認識到裝備水平都與國外先進水平有一定的差距。高品質、高可靠性風電齒輪箱的獲得，除了先進的設計技術和必要的製造裝備外，離不開製造過程每一個環節的嚴格質量控制。
國外兆瓦級風電齒輪箱是隨著風電機組的開發而發展起來的，RENK，FLENDER 等風電齒輪箱製造公司採用將先進的設計技術與試驗測試相結合的方法，大大提高了產品的經濟性和可靠性。我國的風電齒輪箱行業自2007 開始進入快速發展的軌道，以南京高速齒輪箱有限公司為代表的齒輪箱廠或是增強自身的研發能力，或是擴大自身的產能。儘管如此，我國風電齒輪箱仍是風電設備國產化中的薄弱環節。雖然多數廠家通過各種渠道與國外先進的設計公司進行合作，但在設計的水平，經驗的積累和人才的儲備方面仍需不斷的努力。
在風電齒輪箱設計標準方面，由於風電齒輪箱容量的發展，零部件的設計標準已經不能適應大功率化的要求， 大功率齒輪箱的最新經驗對新標準的發展起到了重要作用。備受關注的IEC61400－4已經公布， 從中國風能協會主辦的講座上獲知，IEC61400 － 4 參考了新的標準，在有些被證明非常重要的章節增加了內容， 相對於ISO81400-4，增加了不同傳動鏈形式的細節，考慮了更多的失效情況，在載荷計算的步驟上增加了更多信息，考慮了特殊運行狀態進行設計，使載荷情況能覆蓋所有運行條件。相對於GL Guideine，IEC61400-4 增加了背景信息，比GL要求的條件更嚴格。可以預見，隨著相關設計標準的公布，風電齒輪箱設計技術將隨之進一步發展。
2 風電齒輪箱主流技術路線綜述
為了減小風電齒輪箱的體積和重量， 總體上講，500KW ～ 2500KW齒輪箱目前最常見的是兩級平行軸加一級行星或兩級行星加一級平行軸兩種結構，2.5MW 以上的齒輪箱通常採用功率分流或柔性軸等技術。
根據不同的評判標準可以將風電齒輪箱所採用的技術路線劃分為不同的類型：從採用的不同齒輪類型角度可將風電齒輪箱劃分為平行軸技術路線和行星輪技術路線；從採用不同的設計理念角度可劃分為傳統技術路線、功率分流技術路線、柔性軸技術路線以及採用功率分流與柔性軸相結合的「融合技術路線」；還有一類即是從外形尺寸上可將齒輪箱大致劃分為短粗型如RENK 齒輪箱，和細長型如BOSCH 齒輪箱。[3]
2.1 傳統圓柱齒輪技術路線
該技術路線在早期的兆瓦級以下的風電機組中多有應用，比如兩級或多級平行軸式，如圖1。但由於該類型齒輪箱技術路線不適用於兆瓦級以上的風力發電機組的需要，因此，在近幾年大兆瓦級的齒輪箱應用中，已將該結構淘汰，本文不作為重點。
2.2 行星輪系與平行軸相結合的三級式技術路線
此技術路線的主流布局是一級行星加兩級平行軸或兩級行星加一級平行軸兩種結構，是目前國內產量最大和應用範圍最廣的齒輪箱。國內多家風電齒輪箱生產廠家均以此種技術路線為主流產品。
該技術路線的特點是採用功率串聯的三級定速比傳動。由於該技術路線自身的最大容量有一定的限制，因此不能滿足未來不斷增大的風電機組容量的需求。該類技術路線目前大多用於1.5MW ～ 2.5MW 的風電機組 2.3 複合行星齒輪技術路線
該技術路線的典型布局是德國RENK 公司的齒輪箱，國內多家齒輪箱廠已引進了該技術，但目前還沒有在國內風場大規模應用。
該技術路線的特點是：第一，兩級行星輪的行星銷軸可以軸向浮動，有利於整個機構的均載；第二，軸承是風電齒輪箱中最薄弱的零件之一，採用固定軸式的行星傳動，這意味著齒輪箱中的軸承將是固定不動的，便於對軸承進行強制潤滑，避免齒輪箱中軸承的失效風險；第三，由於第一級行星傳動的內齒圈與箱體分離，因此，此種結構可以有效地減小第一級齒輪傳動所產生的振動；最後，由於該技術路線的結構特點，齒輪箱維修起來較其他齒輪箱技術路線更為便捷，可以從高速軸方向將內部零件全部抽出進行更換或維修。
該技術路線的齒輪在徑向尺寸上偏大，在整個機構中也只能有三個齒輪分擔載荷；由於該齒輪箱的設計理念是兩級固定的行星輪系要相互抵消軸向力，因此，對於該兩級行星齒輪的齒數設計要格外關注，需要進行精確的計算匹配，這也給製造和裝配帶來了一定的問題，如何解決裝配時的對齒問題將成為關鍵。
根據相關資料，該技術路線的最大功率能夠達到5MW。
2.4 柔性軸技術路線
該技術源於多年前的專利技術，近幾年來柔性軸技術在風電齒輪箱行業中迅速升溫，多家國外公司紛紛在國內進行技術轉讓或項目合作。[4]從該技術路線的本質上講，主要是通過調整行星輪系中行星輪的適應性來解決行星輪系的均載問題。據相關資料顯示，如果該技術運用得當，行星輪系的均載係數能夠達到1.04 左右，相對於AGMA 標準的試驗值已經有了相當大的提高和改善，如採用三個行星輪的行星輪系，AGMA 標準的均載係數是1，即使採用太陽輪和行星架全都浮動的結構，當齒輪精度為6級時，行星輪系的均載係數最好也只能達到1.10，因此柔性軸技術的優勢還是相當明顯的。
但是該技術對於加工和裝配精度要求嚴格，能否達到預期的設計效果與生產廠家的生產能力密切相關。另外需要特別注意的是，對於行星輪系的均載並非浮動量越大越好。浮動量過大，很可能導致問題的轉移，如引起行星輪系中各嚙合齒輪副之間或其餘部件的微動磨損。因此，如何權衡浮動量和齒輪箱整體性能將成為採用該技術所要關注的焦點。
2.5 功率分流技術路線
如何實現在齒輪箱承載能力最大時齒輪箱體積和重量最小，即功率密度最大化的目的，是所有齒輪箱設計者的最終目標。而功率分流技術為該目標的實現提供了一條便捷途徑。如汽車行業的EATON 公司就是採用了功率分流這一設計理念，使得雙中間軸式卡車齒輪箱風靡全球。在風電齒輪箱行業中，採用功率分流這一設計理念具有代表性的技術路線主要是MAAG 和BOSCH，如圖8 和\9。
MAAG 和BOSCH 這兩種結構均是採用行星輪系的差速特性。以BOSCH 齒輪箱為例，其特點是：第一，結構中對第二級行星輪系的太陽輪和第三級行星輪系的內齒圈採用了浮動設計，更有利於整個齒輪箱的均載；第二，由於第二級和第三級行星傳動的內齒圈與箱體分離，因此，此種結構可以有效的減小齒輪傳動所產生的振動；第三，該技術路線通過功率分流很好的減小了各個嚙合齒輪副所傳遞的載荷，從而減小傳動齒輪的尺寸，在同等尺寸條件下，該類齒輪箱較之傳統路線將更有利於提高齒輪箱的容量，能夠節省10% ～ 22% 的材料，特別是採用三級行星加一級平行軸的BOSCH 齒輪箱是目前大功率風電齒輪箱的典型產品之一，主要用於3MW 及以上的風電齒輪箱。
2.6「 融合技術路線」
該技術路線融合了柔性軸和功率分流兩種技術路線的典型優勢，使齒輪箱功率密度最大化的目標更易實現。
目前，JAKE 的5MW 和6MW 齒輪箱即採用了該種技術路線。
綜上，風電齒輪箱技術路線的演變過程及其對比總結，如下表所示：
3 展望
風電齒輪箱行業未來將向著逐漸消化從國外引進的先進技術，不斷建立國內風電行業的自身研發能力的方向發展。但隨之而來的是，如何在前人的基礎上少走彎路，如何在眾多的齒輪箱技術路線中選取適合未來發展方向的布局將成為首要問題，該問題將直接決定著企業產品的生命力和競爭力。
隨著近幾年海上風電產業的快速發展，風電齒輪箱的大功率化需求也越來越迫切，功率密度最大化也將始終是齒輪箱行業永恆的課題，因此，如功率分流技術、柔性軸技術等先進設計理念必將成為風電齒輪箱行業未來發展的熱點。
風電齒輪箱技術的國產化道路將是漫長的。如何最大限度地將本土生產的產品與國外引進的齒輪箱技術性能相吻合將考驗著國內的風電企業，尤其是對於那些對加工和裝配水平要求較高的技術路線，本土化將是一個曲折而漫長的過程。
我國風電行業目前對齒輪箱的設計開發的深入研究尚處於起步階段，相關的運行調試經驗和基礎數據還比較匱乏，這些因素都制約了我國風電事業的快速發展，但隨著時間的推移，這些問題將會得到很大程度的改善。
參考文獻
[1] Ris 國家實驗室，挪威船級社. 風力發電機組設計導則[M]. 楊校生，何家興, 劉東遠, 等,譯. 北京: 機械工業出版社,2011.
[2] 姚興佳, 宋俊, 等. 風力發電機組原理與應用[M]. 北京: 機械工業出版社,2009.[3] Tony Borton，David Sharpe，Nich Jenkins，Ervin Bossanyi. Wind Energy Handbook [M].New York: 2001.
[4] J F Manwell，J G McGowan and A L Rogers.Wind Energy Explained [M]. New York: 2001.
作者簡介
生偉凱，男，碩士研究生，齒輪箱設計和開發工程師，博世力士樂（北京）液壓有限公司，現從事機械傳動及力學分析。
劉衛，男，碩士研究生，工程師，國電聯合動力技術有限公司，現從事風電設備整機設計方向。
楊懷宇，男，碩士研究生，工程師，國電聯合動力技術有限公司整機研究室副主任，現從事風電設備整機設計研究。
