風電小行星齒輪箱模塊化探討

摘要：通過對國內(nèi)風電小行星齒輪箱開發(fā)過程現(xiàn)狀進行分析，對比國外同等產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗，探討模塊化開發(fā)對進一步提升產(chǎn)品制造競爭力的必要性。

關(guān)鍵詞：風電小行星;模塊化;生產(chǎn)運營;標準化;拉動

0 ? ?引言

20世紀中至本世紀初，國內(nèi)的齒輪箱技術(shù)和制造在起步后飛速發(fā)展，齒輪箱的開發(fā)水平迅速提升并達到國外先進水平。但本世紀以來，隨著全球化推進和國內(nèi)競爭日趨激烈，國內(nèi)齒輪箱產(chǎn)品逐漸面臨同質(zhì)化、生產(chǎn)成本提高、競爭優(yōu)勢不明顯等問題。這就需要我們再次尋找對手的優(yōu)勢，學以致用。本文旨在從國內(nèi)外產(chǎn)品開發(fā)中模塊化的特點入手，簡要分析我們該如何通過學習實現(xiàn)趕超。

1 ? ?國內(nèi)風電小行星齒輪箱現(xiàn)狀

小行星齒輪箱是低轉(zhuǎn)速、高扭矩傳動領(lǐng)域普遍采用的傳動形式，主要由一級到多級行星傳動結(jié)構(gòu)串聯(lián)（一級輸出是下一級輸入）組成（圖1）。風電小行星齒輪箱通常是由三至五級行星傳動組成，其能夠?qū)㈦姍C/馬達的高轉(zhuǎn)速、低扭矩轉(zhuǎn)化成低轉(zhuǎn)速、高扭矩，進而改變風機或葉片的方向。

改革開放以來，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，首先國內(nèi)企業(yè)人工薪資水平水漲船高，人員成本紅利逐漸喪失;其次中國企業(yè)的管理水平和體系日漸完善，這也使得管理成本日趨上升;另外，國外企業(yè)也紛紛把供應鏈甚至分公司建到中國，和我們分享國內(nèi)的資源和成本優(yōu)勢。所有這些綜合起來降低了制造的柔性，延長了供貨周期，卻提高了國外產(chǎn)品的利潤率，最終導致國內(nèi)產(chǎn)品成本優(yōu)勢下降，競爭優(yōu)勢漸失，甚至經(jīng)常出現(xiàn)進口產(chǎn)品比國內(nèi)產(chǎn)品價格更低的窘境。

國內(nèi)企業(yè)在開發(fā)小行星齒輪箱時，通常拿到的是主機廠和國外競爭對手確定好的齒輪箱外形圖和技術(shù)規(guī)范。齒輪箱的設計過程中優(yōu)先要考慮的是參數(shù)、外形結(jié)構(gòu)等需符合客戶現(xiàn)有機型要求。國內(nèi)前些年風電行業(yè)遍地開花，有多達幾十個主機廠，每個主機廠又有從1.5 MW到7 MW的不同平臺和不同葉輪直徑的產(chǎn)品，而每種產(chǎn)品多半已經(jīng)選擇了國外不同供應商的小行星齒輪箱。這就給國產(chǎn)化設計帶來了更多的特殊設計、非標化設計要求，甚至在當時還形成了齒輪箱公司津津樂道的定制化設計（Tailored Design）。設計種類繁多導致工藝繁多，不利于降低制造成本。有些產(chǎn)品批量大還好，更多的是一套產(chǎn)品設計、制造、試驗驗證下來后只生產(chǎn)了樣機或幾十臺小批量客戶就又升級或改型了。這不僅不利于產(chǎn)品制造過程能力的穩(wěn)定提升，也不利于工廠的運營效率提升和運營成本優(yōu)化。

這都應該引起我們的重視和思考，國內(nèi)企業(yè)有必要將自身和國外競爭對手重新放在一起比較各自的優(yōu)缺點。當我們拋開質(zhì)量因素，對比雙方的開發(fā)模式時，我們發(fā)現(xiàn)了一些本質(zhì)的區(qū)別，以下先闡述國外對手的特點。

2 ? ?西方同類產(chǎn)品開發(fā)特點

西方知名的小行星制造商從早期的Flender、Bosch、SEW、Liebherr、Zollern到現(xiàn)在的Bonfiglioli、Comer、Brevini、Rossi等都是幾十年甚至上百年的齒輪箱制造企業(yè)，其基本信息如表1所示。

這些企業(yè)在20世紀或更早就已經(jīng)在工業(yè)行業(yè)活躍并積累了很多經(jīng)驗。仔細分析它們的產(chǎn)品就會發(fā)現(xiàn)，齒輪參數(shù)、外形尺寸等有比較固定的數(shù)值。比如每一級的齒圈外徑、齒輪參數(shù)、安裝螺孔的孔徑和分度圓，在不同的平臺甚至在不同的客戶方的產(chǎn)品上呈現(xiàn)相近或相同的數(shù)值。同一廠商的風電齒輪箱和工業(yè)產(chǎn)品上的齒輪箱有一致的規(guī)格參數(shù)。這說明它們已經(jīng)形成了模塊化開發(fā)，齒輪箱的每個部件都有固定的設計庫和參數(shù)庫，設計時可以直接從庫中選取拼接。

風電行業(yè)是在最近二三十年才出現(xiàn)并迅速發(fā)展的，風電小行星齒輪箱是在常規(guī)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上拓展出來的新應用領(lǐng)域，所以齒輪箱只是應風電的特殊安全和安裝要求修改了部分參數(shù)和接口而已。風電小行星齒輪箱更是如此，它們是直接在工業(yè)回傳支撐齒輪箱的基礎(chǔ)上改進的，其每一級的齒輪參數(shù)和尺寸完全統(tǒng)一。這種通用化、模塊化的生產(chǎn)模式的一系列優(yōu)點現(xiàn)在逐漸顯現(xiàn)出來了：降低新品開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，減少不必要的重復驗證內(nèi)容等。由前述分析可知，國內(nèi)的齒輪箱開發(fā)過程變動隨意，而按國際標準IEC 61400及ISO 9000的要求，關(guān)鍵零部件變更都要按新品要求重新進行設計、制造驗證。

3 ? ?解決措施

國內(nèi)小行星齒輪箱制造形成現(xiàn)在的局面有其客觀原因。由于風電行業(yè)可靠性要求高，國內(nèi)主機廠剛開始（樣機）還都是選擇表1中的進口齒輪箱，價格昂貴。在國產(chǎn)化和提升價格優(yōu)勢的趨勢下國內(nèi)主機廠不得不尋求齒輪箱等部件國產(chǎn)化，但此時齒輪箱外形尺寸和接口已經(jīng)確定，國內(nèi)供應商只能在此限制下進行設計，這就造成了針對各主機廠、同主機廠不同平臺的齒輪箱非標設計。所以要實現(xiàn)模塊化，國內(nèi)的齒輪箱制造廠必須跑在前頭，即在主機廠新產(chǎn)品開發(fā)時就開始雙方合作，共同結(jié)合齒輪廠商的平臺確定齒輪箱的最終型號和接口。

其次，齒輪廠商在開發(fā)前期要有充分的模塊化開發(fā)準備，形成完善的開發(fā)流程，梳理現(xiàn)有產(chǎn)品的產(chǎn)品族。必要時所有參數(shù)的開發(fā)要優(yōu)先考慮標準化和公司模塊化要求，讓主機廠接口設計適應齒輪箱設計。從最優(yōu)化設計來看，齒輪箱的部分部件可能設計過于富裕，但從規(guī)模效應評價，產(chǎn)品更加統(tǒng)一、產(chǎn)量更大，獲得的成本優(yōu)勢更大。比如，同一種軸承使用量大了，供應商可以大幅降低價格;零件尺寸類別少了，需要的機床設備也就少了。

最后，工藝把關(guān)。從產(chǎn)品制造使用的設備、刀具、工裝等入手，實現(xiàn)刀具標準化、夾具標準化、機床設備標準化等，將這些要求形成規(guī)范文件。工廠投入少了，設備使用率提高了，運營成本必定下降。

4 ? ?結(jié)語

綜上所述，模塊化顯而易見是當下解救國內(nèi)企業(yè)的良藥。形成模塊化以后，生產(chǎn)就不是嚴格按產(chǎn)品排產(chǎn)，而是將產(chǎn)品打散成部件族，繼而再打散成零件族。生產(chǎn)運營可以結(jié)合市場預測、在手訂單和庫存管理安排零部件排產(chǎn)，通過裝配拉動和安全的庫存管理調(diào)整零部件排產(chǎn)，最終實現(xiàn)設備利用率提升、制造運營成本降低、產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，從而提升產(chǎn)品的市場競爭力。

企業(yè)經(jīng)過了一段時間的發(fā)展后，限制其再進一步的已經(jīng)不是資格級要素，而是訂單級要素，是如何精益求精。面對國內(nèi)的競爭，國外企業(yè)也開始用我們的方式思考，改變自己適應中國市場，它們可以通過價格策略把我們壓得喘不過氣來。因此，模塊化是我們必須抓緊補上的功課！

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收稿日期：2020-07-09

作者簡介：凡晶梅（1986—），女，河南人，工程師，南京高精傳動設備集團有限公司工藝主管，研究方向：風電小行星齒輪箱制造工藝優(yōu)化和成本優(yōu)化。