風電小行星齒輪箱模塊化探討

摘要：通過對國內風電小行星齒輪箱開發過程現狀進行分析，對比國外同等產品的開發經驗，探討模塊化開發對進一步提升產品制造競爭力的必要性。

關鍵詞：風電小行星;模塊化;生產運營;標準化;拉動

0 ? ?引言

20世紀中至本世紀初，國內的齒輪箱技術和制造在起步后飛速發展，齒輪箱的開發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競爭日趨激烈，國內齒輪箱產品逐漸面臨同質化、生產成本提高、競爭優勢不明顯等問題。這就需要我們再次尋找對手的優勢，學以致用。本文旨在從國內外產品開發中模塊化的特點入手，簡要分析我們該如何通過學習實現趕超。

1 ? ?國內風電小行星齒輪箱現狀

小行星齒輪箱是低轉速、高扭矩傳動領域普遍采用的傳動形式，主要由一級到多級行星傳動結構串聯（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，其能夠將電機/馬達的高轉速、低扭矩轉化成低轉速、高扭矩，進而改變風機或葉片的方向。

改革開放以來，經過幾十年的飛速發展，首先國內企業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，國外企業也紛紛把供應鏈甚至分公司建到中國，和我們分享國內的資源和成本優勢。所有這些綜合起來降低了制造的柔性，延長了供貨周期，卻提高了國外產品的利潤率，最終導致國內產品成本優勢下降，競爭優勢漸失，甚至經常出現進口產品比國內產品價格更低的窘境。

國內企業在開發小行星齒輪箱時，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規范。齒輪箱的設計過程中優先要考慮的是參數、外形結構等需符合客戶現有機型要求。國內前些年風電行業遍地開花，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品，而每種產品多半已經選擇了國外不同供應商的小行星齒輪箱。這就給國產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。有些產品批量大還好，更多的是一套產品設計、制造、試驗驗證下來后只生產了樣機或幾十臺小批量客戶就又升級或改型了。這不僅不利于產品制造過程能力的穩定提升，也不利于工廠的運營效率提升和運營成本優化。

這都應該引起我們的重視和思考，國內企業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缺點。當我們拋開質量因素，對比雙方的開發模式時，我們發現了一些本質的區別，以下先闡述國外對手的特點。

2 ? ?西方同類產品開發特點

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

這些企業在20世紀或更早就已經在工業行業活躍并積累了很多經驗。仔細分析它們的產品就會發現，齒輪參數、外形尺寸等有比較固定的數值。比如每一級的齒圈外徑、齒輪參數、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品上呈現相近或相同的數值。同一廠商的風電齒輪箱和工業產品上的齒輪箱有一致的規格參數。這說明它們已經形成了模塊化開發，齒輪箱的每個部件都有固定的設計庫和參數庫，設計時可以直接從庫中選取拼接。

風電行業是在最近二三十年才出現并迅速發展的，風電小行星齒輪箱是在常規工業發展的基礎上拓展出來的新應用領域，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，它們是直接在工業回傳支撐齒輪箱的基礎上改進的，其每一級的齒輪參數和尺寸完全統一。這種通用化、模塊化的生產模式的一系列優點現在逐漸顯現出來了：降低新品開發成本，縮短開發時間，減少不必要的重復驗證內容等。由前述分析可知，國內的齒輪箱開發過程變動隨意，而按國際標準IEC 61400及ISO 9000的要求，關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

國內小行星齒輪箱制造形成現在的局面有其客觀原因。由于風電行業可靠性要求高，國內主機廠剛開始（樣機）還都是選擇表1中的進口齒輪箱，價格昂貴。在國產化和提升價格優勢的趨勢下國內主機廠不得不尋求齒輪箱等部件國產化，但此時齒輪箱外形尺寸和接口已經確定，國內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。所以要實現模塊化，國內的齒輪箱制造廠必須跑在前頭，即在主機廠新產品開發時就開始雙方合作，共同結合齒輪廠商的平臺確定齒輪箱的最終型號和接口。

其次，齒輪廠商在開發前期要有充分的模塊化開發準備，形成完善的開發流程，梳理現有產品的產品族。必要時所有參數的開發要優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。從最優化設計來看，齒輪箱的部分部件可能設計過于富裕，但從規模效應評價，產品更加統一、產量更大，獲得的成本優勢更大。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。從產品制造使用的設備、刀具、工裝等入手，實現刀具標準化、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 ? ?結語

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

企業經過了一段時間的發展后，限制其再進一步的已經不是資格級要素，而是訂單級要素，是如何精益求精。面對國內的競爭，國外企業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化和成本優化。