重庆齿轮箱吕和生:风力发电机组齿轮箱高可靠性、可维性技术提升
以“创新驱动 智赢未来”为主题的“2018全国大型风能设备行业年会暨产业发展论坛”于11月22~23日在重庆召开,本次论坛由中国农业机械工业协会风力机械分会主办,中国船舶重工集团海装风电股份有限公司承办。能见APP全程直播。
重庆齿轮箱有限责任公司技术中心副主任吕和生发表题为《风力发电机组齿轮箱高可靠性、可维性技术提升》的主旨演讲。
以下为演讲实录:
吕和生:这里给大家说明一下,整个报告原计划是让我们副总来给大家作报告,但他今天临时有个接待,安排由我为大家作报告。
今天我为大家介绍的内容是“齿轮箱高可靠性技术提升”,我准备用以下几个方面来跟大家作汇报。第一,重齿及风电产品介绍;第二,行业发展及齿轮箱目标;第三,高可靠性技术提升;第四,应用实例的展示。
重齿是属于中船重工旗下的一家子公司,从建船起家,逐渐拓展到包括风电在内的齿轮箱专业生产企业,现在是国内主流生产厂家之一。我们建立了相应的产业生产线,在今天下午的参观当中可以仔细看到,与此同时,有与之配套的专业运维部门,提供技术支持、维修生产以及风场工程相关的工作。现有的质量是进一步导入了TS16949质量生产体系开展工作。
重齿是1996年就开始研发风电齿轮箱,所以到今年来已经超过了20年的历史,从600千瓦开始,逐渐拓展到750、1兆瓦,再到后面的批量生产1.5、2兆瓦,到现在逐渐拓展为2.5兆瓦、3兆瓦,以及目前已经完成样机试验的7兆瓦。迄今,累计为用用户提供14000台齿轮箱。我们也研发了偏航齿轮箱,现在有170多个型号为不同厂商提供匹配,累计用户超过了17000台。
下面讲讲齿轮箱的行业趋势,近几年来,风电行业特别是海上风电是快速发展,我们以海上风电为例,到“十三五”我们的目标争取要装到500万千瓦以上,2017年我们取得了超过116万千瓦,陆陆续续还会有更大装机容量的生产,所以对齿轮箱也提出了更高的要求。针对行业特点,储量大、风况好,但环境较复杂。但开发成本高昂,机组维护难度和费用相对偏高,对于海上风电来讲,现在很多离岸距离已经在15-20公里,更远的有到50公里的风场建设,所以对整个行业来讲就提出了高可靠的问题,怎么设计寿命满足20-25年的行业要求。基于初装能力和后续使用成本考虑,展示了我们从2014年以来陆上成本已经在逐渐下降,海上成本专家也提到这也是一个必然的趋势。
基于这样的行业需求和成本考虑,对齿轮箱来讲尤为需要更高的可靠性,更长的使用寿命,更合理的成本控制,还有大家关注的较好的维护性,减少维护成本和时间,所以又展示了各种成本的统计。当然这是陆上的,海上的成本会更高。怎么来降低成个机组包括齿轮箱的成本呢?我们借用了他们研究的成果,在所有分项当中,技术进步及突破占有的比重相应来说比值最高,所以怎么来促进技术进步,降低整个成本,这是我们追求的成果。
对齿轮箱来讲,怎么实现这个过程呢?下面我一一给大家作展开。随着兆瓦机逐渐增大,有一级行星加一级平衡,到两级行星加一级平衡,到集成城市中速半直驱的的方案,这也是行业形成的共识。大家可能更关注的是轴承发展,随着轴承技术不断提升,为风电提供更高更优质的流程,从常规的轴承应用和材料提升,对表面处理的提升,都逐渐在风电行业得到应用。还有从轴承的形式上来讲,已逐渐倾向于更高密度的以及更加紧凑的轴承,同时要承担更高扭矩和应力的情况。
在轴承方面可能会把外圈取掉,和齿轮更加紧密地附和在一起,所以很多项目中也会涉及到涡旋齿轮的应用,进一步使用到圆锥轴承的应用,这些都是我们在行业内逐渐推广的轴承形式。
未来要取得高可靠的水准,国内风电行业以及齿轮箱怎么追赶欧美企业,我们国内厂商也会跟欧美专业的设计公司,以及专业的主机厂商一起开展合作,以及欧洲的高校特别开展基础研究,参与齿轮箱的设计以及验证的整个流程,使得我们在设计之初就有了比较高的技术水准和技术认知。
今天我讲的主体是高可靠,怎么来开展高可靠性来讲,我们需要系统性的工程,不仅需要设计、分析,还有我们的事业、验证,还有哥种信息闭环的管理,这是一个全流程可靠性的管理。怎么来实现?具体我们列了几个点给大家作展示:一是要开展系统性的设计技术。不仅是要基于设计标准计算参数计算之外,还有三维实体模型建立、Ansys的分析,还有基于整机的齿轮箱系统级的分析。当然,大家更关注的在系统级分析之上,各个零部件FE-safe开展疲劳分析,通过这些分析就可以进一步预估和优化产品。这是我们开展结构件应力以及疲劳分析的情况,这是在整机情况下我们开展智能噪声振动的一个结果。
以上说的是开展整机的,在整机基础之上我们比较关注齿轮和轴承,这张图是展示的是基于整机模型下齿轮微观休闲的情况,可以明显看到齿轮不同的裂和部位,齿面接触应力和宽度的程度。
另外关注轴承,我们不仅要关注轴承受力的过程,还要关注轴承自身微观修形的问题,不同的修形是不是能更好地降低。齿轮在冲击齿轮箱来讲,螺栓应力也是大家关注的一方面,在设计当初要充分预估整个连接的可靠性。
与此同时,刚才也讲到了润滑液也比较关注的一点,除了齿轮箱以外,还要对润滑系统建立各个润滑点的润滑模型,来开展基于流畅的有序分析,以确保整个在设计之初各个润滑点都保证是可靠的。
在系统级之上还有非常重要一点,也就是远程的监测以及预警技术,所以在齿轮箱出厂的时候我们就要设置振动、温度以及压力测等各个测试点,为后期齿轮箱的监控以及故障诊断提供比较好的硬件和软件平台基础。通过大数据可以实现下一步运维的计划。
刚刚所讲到的是高可靠,还要充分考虑可维性的问题,我们也开展了很多可能基于高可维性设计方面的探索,可维性的基础上,进一步来降低运维的成本。
在以上的基础之上,我们更要考虑整个模块化设计来降低齿轮箱基于产品快速开发当中的一个成本和可靠性问题,所以我们要规划和设计整个模块化的平台,包括装配技术的平台。所以基于零件来讲,我们可以达到非常高的零件,实现高的互换性,以此来实现大兆瓦的开发。
在设计当中我们做到了,测试中我们怎么验证?下面我也有具体的实例展示给大家,一个是充分的均载测试验证,大家主要关注的是齿轮的应力测试,这是某一个大兆瓦的测试结果,标准是1.35均载的要求,实际测下来在50%以上的时候,整个均载可以达到1.05以下,所以这样测试的结果充分展示了齿轮箱实际运行工况的时候具有比较高的安全应力系数。
与此同时又讲到大家所关注的全生命周期的实际验证,所以我们是采用了加速疲劳的测试,现在国内大家都在努力搭建大功率的试验台,这是花费比较昂贵的一个试验台。齿轮箱不仅在平原,也有山区,也有海上,所以怎么来实现整个环境适应性的要求,我们也会开展基于齿轮箱低温的测试,右边是模拟高温环境的测试,当然与此同时还有其他环境的测试。通过这样一些试验,进一步充分验证齿轮箱在运行过程中可能有哪些控制策略,以及有哪些设计需要优化。
基于以上这些技术上的探讨和提升,我们开发了5兆瓦的大兆瓦产品,装机以来截止到今年8月份,5兆瓦已经连续10个月可以达到98%以上的水准,相对于一类风区的利率要低一点。但与此同时,齿轮箱的功率是5兆瓦的平台,瞬时风速界于8.5-20.4m/s,所以海上发电量还是非常好的。这是齿轮箱的整个压力情况,显示了温度曲线比较平稳。
齿轮箱自身的运行怎么样?不仅要看宏观的数据,还要看真实的巡检结果,这是我们挂机五年后5兆瓦齿轮箱的巡检,包括轴承、齿轮等效果都非常好,充分再进一步展示给大家。
与此同时大家比较关注的是振动的结果,所以我们也对振动进行了连续的监控,我们给出了项目的监控以外,右边是基于3834长时段的测试点监控,可能长达几个月的监控数据来看,在振动速度上远远低于控制线3.5的水准,所以反映了整个齿轮箱基础运行状况非常良好。
我就汇报以上这些内容,谢谢大家!
(根据速记整理)