1.引言

　　齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中成本僅次于葉片的第二大部件，其重要程度不言而喻。但是，在葉片、主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)和變流器幾大部件中，齒輪箱又是被詬病最多的大部件。由于齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中的功能，又是唯一可以或缺的，刪除齒輪箱之后的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為另一類主流技術(shù)路線。近年來(lái)中速傳動(dòng)技術(shù)的興起，人們對(duì)齒輪箱又熱衷起來(lái)。齒輪箱在經(jīng)歷了被采用-刪除-又被采用之后，未來(lái)又會(huì)怎樣?有必要漫談一番。

　　2. 技術(shù)路線演變中的齒輪箱

　　2.1 從高速齒輪箱到無(wú)齒輪箱

　　風(fēng)電機(jī)組中引入齒輪箱，是為了匹配低轉(zhuǎn)速葉輪與高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的特性。從早期的定軸輪系到后期的行星輪系與定軸輪系組合，再到多級(jí)行星輪系;額定功率從百千瓦到十多兆瓦;傳動(dòng)比也從不足100到逼近200。

　　但是，齒輪箱也曾是風(fēng)電機(jī)組中的最大困擾。曾有過(guò)最大失效率、曾拖垮過(guò)整機(jī)企業(yè)、曾一直被試圖徹底拋棄。以至于人們不得不另辟蹊徑，在風(fēng)電機(jī)組中刪除齒輪箱，研發(fā)出無(wú)齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)品。就在直接驅(qū)動(dòng)機(jī)型以其特有的優(yōu)勢(shì)逐漸被認(rèn)為將會(huì)取代高速雙饋機(jī)型時(shí)，成本和效率的劣勢(shì)也慢慢顯現(xiàn)出來(lái)，尤其是在機(jī)組大型化中。

　　2.2 從高速齒輪箱和無(wú)齒輪箱到中速齒輪箱

　　直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的劣勢(shì)，讓人們將目光投向了既帶齒輪箱轉(zhuǎn)速又不高的中速傳動(dòng)技術(shù)。于是，在整機(jī)企業(yè)中，過(guò)去走高速雙饋和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線的都有轉(zhuǎn)向中速傳動(dòng)技術(shù)的。在海上風(fēng)電機(jī)組大型化中，中速傳動(dòng)技術(shù)似乎已成為當(dāng)前的潮流和未來(lái)的趨勢(shì)，熱度更大。不僅如此，還有人包裝了不少的概念充實(shí)到中速傳動(dòng)技術(shù)中，正像有人描述的那樣——中速傳動(dòng)的春天到了，一派百花齊放的景象。在這種背景下，風(fēng)電齒輪箱的風(fēng)頭不亞于當(dāng)年直驅(qū)熱時(shí)的永磁發(fā)電機(jī)，成為新的關(guān)注熱點(diǎn)。

　　3. 大型化中的齒輪箱

　　早期的齒輪箱之所以經(jīng)常出故障，除了所在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行條件外，齒輪箱本身固有特性也起著重要作用。

　　齒輪箱是功率傳動(dòng)的機(jī)械部件，具體分為傳遞運(yùn)動(dòng)(增速或減速傳動(dòng))和動(dòng)力(扭矩)，動(dòng)力傳遞的力度和運(yùn)動(dòng)傳遞的頻次疊加起來(lái)，使得接觸疲勞成為基本失效形式發(fā)生在齒輪(輪齒面)和軸承(滾道與滾動(dòng)體)兩大齒輪箱零部件。因此齒輪箱的失效的基本原因就兩個(gè)：作用載荷的偏大和承載能力的較弱。風(fēng)電齒輪箱常見(jiàn)的齒面和滾動(dòng)體點(diǎn)蝕、齒輪斷齒、滾動(dòng)軸承失效等無(wú)不與此相關(guān)，而齒輪箱的技術(shù)進(jìn)步也基本是朝著降低載荷和提高承載能力兩個(gè)方向進(jìn)行的。

　　風(fēng)電機(jī)組的大型化要求齒輪箱也大型化，風(fēng)電齒輪箱的大型化面臨的新挑戰(zhàn)是將面對(duì)如下的問(wèn)題：

　　傳遞功率的增加——齒輪箱傳遞的功率始終高于機(jī)組的額定功率，而且隨著機(jī)組容量的增大，這種高于的程度越來(lái)越大。雖然傳遞這樣等級(jí)功率的齒輪箱能夠做出來(lái)，但畢竟越來(lái)越重的機(jī)頭對(duì)于整機(jī)系統(tǒng)尤其是海上機(jī)組系統(tǒng)帶來(lái)更多的新難題。

　　轉(zhuǎn)速下降扭矩增加——通常情況下，大型化機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速更低，在功率提升的前提下，扭矩更大，對(duì)齒輪箱的承載能力提出更高的要求。這就導(dǎo)致齒輪箱將以更高的階次增加重量。設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)——面向海上風(fēng)電的機(jī)組設(shè)計(jì)壽命至少是25年，這對(duì)于靠依次嚙合的齒輪輪齒和依次滾動(dòng)接觸的軸承來(lái)說(shuō)，都要求更高的承載能力。

　　支承能力要求增高——在風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱在傳遞扭矩的同時(shí)，外殼需要支反力矩支撐，支撐能力的要求越來(lái)越高。

　　可靠性要求更高——海上風(fēng)電機(jī)組的可靠性要求高，齒輪箱的可靠性要求就更高，而影響可靠性的作用載荷和承載能力并未得到有效解決。

　　綜上所述，中速傳動(dòng)技術(shù)的春天是否來(lái)臨，不是取決于各式各樣的中速傳動(dòng)機(jī)型，而是取決于齒輪箱。齒輪箱將是未來(lái)風(fēng)電機(jī)組大型化的關(guān)鍵因素，甚至可以說(shuō)，齒輪箱不成則中速傳動(dòng)技術(shù)不成。

　　眾所周知，風(fēng)電機(jī)組大型化的過(guò)程中，越來(lái)越多的風(fēng)電大部件成為瓶頸，葉片、主軸承、齒輪箱哪一件成短板，都將拖機(jī)組大型化及海上風(fēng)電的后腿。這樣的話，在常規(guī)技術(shù)之路上走下去，能走多遠(yuǎn)?再進(jìn)一步發(fā)問(wèn)，齒輪箱是不是風(fēng)電機(jī)組大型化的必選項(xiàng)嗎?

　　實(shí)際上，從海上風(fēng)電興起的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的同行們不僅在常規(guī)技術(shù)路線上行走，更是一直在致力于研發(fā)新型的風(fēng)電裝備，來(lái)滿足未來(lái)海上風(fēng)電的需求。如果回歸風(fēng)電裝備的本質(zhì)特征，只要一種裝備能最大限度捕獲風(fēng)能并最經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為電能，就是最有前途的新型風(fēng)電裝備。一個(gè)自然的命題來(lái)了：有沒(méi)有一種技術(shù)，使得葉片、主軸承和齒輪箱不再成為制約因素而實(shí)現(xiàn)上述基本目標(biāo)。

　　肯定有人在嘗試解此命題。

　　4. 結(jié)束語(yǔ)

　　風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱有著獨(dú)特的作用——只是一個(gè)橋梁，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。帶齒輪箱時(shí)它很重要，刪除它也可以。

　　風(fēng)電機(jī)組的大型化對(duì)諸如葉片、主軸承和齒輪箱之類的大部件提出了新的更高的要求。齒輪箱在扮演越來(lái)越重要角色的同時(shí)，也將會(huì)逐漸成為大型化風(fēng)電機(jī)組的短板之一。

　　按照世間事物的發(fā)展規(guī)律，齒輪箱在風(fēng)電機(jī)組中經(jīng)歷過(guò)有-無(wú)-再有的過(guò)程之后，會(huì)不會(huì)在大型化機(jī)組中面臨新的被選擇。