风电机组齿轮箱故障分析及改进措施

【摘要】我国风电企业正努力实现风力发电技术装备国产化, 推动我国风力发电技术大规模商业化发展。齿轮箱作为风电机组的核心部件, 对机组质量起到至关重要的作用, 及早地发现齿轮箱的早期故障以及尽快找到齿轮箱故障原因, 采取相应的措施, 对避免发生重大人身、设备伤亡事故有着十分重要的意义。

【关键词】风电机组 齿轮箱 故障 改进措施

中图分类号：TG457.25 文献标识码：A

风电机组一般安装在荒郊野外、山口、海边等偏远地区，增速箱、发电机等部件又安装于距地面几十米高度的狭小的机舱内，因为机舱空间有限、环境恶劣、交通不便，齿轮箱一旦出现故障，修复十分困难。如果齿轮箱出现故障后不能在塔上维修须下塔处理的话，维修费用较高，且整个维修周期较长，将严重影响风电场的经济效益。因此减小风电齿轮箱出现故障的几率，提供风电齿轮箱易维护性，将是风电齿轮箱设计及运行维护中需重点考虑的问题。

一、风电机组齿轮箱运行现状

近年来随着风电机组单机容量的不断增大,以及风电机组的投运时间的逐渐累积, 由齿轮箱故障引起的机组停运事件时有发生。风机停止工作, 一是机器有效运行时间降低, 发电量减少; 二是风机停止发电, 会加大风力发电的波动性, 增加并网难度; 还有就是厂商要派遣专业维修人员进行维修, 如果故障严重, 还要动用大型起吊工具, 这会给厂商造成巨大的经济损失。因此, 对齿轮箱故障进行正确的早期预警, 以及发生故障后能够迅速查找到故障源, 进行正确的故障处理, 尽快恢复机组运行是非常有必要的。

二、电机组齿轮箱特征频率的计算

风力发电机组齿轮箱有三种类型：低速直接驱动采用无增速齿轮箱；混台驱动采用一级齿轮传动；高速驱动有多缓齿轮箱。由于兆瓦级风力发电机叶片的直径较千瓦级的更大，转速更低，要求齿轮箱的增速比更高，所阻兆瓦级风力发电机齿轮箱大多采用多级齿轮结构，其典型结构简单如下图所示，第一级是结构紧凑且坚固的高转矩行星齿轮，第二和第三级为平行轴圆柱齿轮。

由于结构、运行特性的不同，各零部件有不同的特征频率，比如固有频率。我们通过机组参数可以查表或计算其特征频率。

啮合频率是指任意相互啮合的两个轮齿均转过一个齿距角所用时间的倒数。

计算公式为：GMF=ZW (2 1)

式中GM7为啮合频率：Z为齿轮齿数：W为齿轮转速。

典型风力发电机齿轮箱结构图

三、常见故障

齿轮故障。在风电机组齿轮箱所有组成零件中, 齿轮的失效比例最大。其主要失效形式有: 齿面磨损、齿面点烛、齿面胶合、齿面塑性变形以及轮齿折断。（1）齿面磨损。齿面磨损的常见形式有腐烛磨损、磨粒磨损和低速磨损三类。第一：腐烛磨损。腐烛磨损是由于油中的某些活性成分会和齿轮材料缓慢发生化学或电化学反应而引起的磨损。腐烛磨损以化学腐蚀为主,腐烛磨损会导致齿面上产生一系列小坑。第二：磨粒磨损。磨粒磨损是由于有金属微粒或其它硬质界物落入齿面之间而引起的磨损。磨粒磨损是开式齿轮传动最常见的失效形式；闭式传动新齿轮在磨合后未予及时清洗或密封不良等导致油污染时, 也会引起磨粒磨损。磨粒磨损会使齿面产生划痕, 齿面颜色变暗,磨损剧烈时甚至导致齿厚变薄发生齿形变化。第三：低速磨损当齿轮圆周线速度过低( 小于0 . 5 m / s ) 时, 相啮合齿面间的弹性流体动力膜厚会变薄, 相啮合齿面因直接接触发送连续性磨损, 这种磨损称为低速磨损。（2）齿轮轮齿损伤。齿箱故障中，轮齿故障比例最大。轮齿损伤有轮齿折断、齿面损伤两种形式。轮齿折断是由于设计的应力小于作用在轮齿上的极限应力，或齿轮承受过高的交变载荷，设计疲劳载荷不足。由于齿面承受过大的接触剪应力、应力循环次数、不良、热处理和安装调试等原因，齿面容易发生包括胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤。图1、2为风电齿轮箱齿面损伤和轮齿折断照片。

图1：齿面损伤

图2：轮齿折断

2、基础载荷数据及载荷处理方法方面的问题。风电齿轮箱工作环境恶劣, 所承受的载荷情况非常复杂, 因此符合实际的载荷数据及其处理方法是风电齿轮箱设计计算的基础。我国不但缺少复杂载荷数据, 而且处理方法也不够成熟, 对风电机组在工作过程中经常出现的制动载荷、极限载荷等载荷情况的处理还是根据经验进行估算。此外, 在变载荷处理过程中运用的线性积累损伤理论也并不能真实反映实际破坏情况。因此, 设计计算的基础有问题, 也就无法得到载荷数据。

3、齿轮早期点蚀。在频繁受到风载变化冲击的情况下, 齿轮的微动磨损超过一般设计的预期, 从而造成齿轮早期点蚀。防止齿轮早期点蚀的关键在于轮齿修形。在确定修形参数时, 需要获得准确的载荷来计算齿轮偏载, 再根据偏载情况进行修形, 而且需要考虑载荷波动, 要尽可能保证齿轮在各种工况载荷及其组合的作用下都具有良好的接触区。

4、轴承早期损坏。目前国内风电齿轮箱几乎全部采用进口轴承, 主要的国外厂商有瑞典SKF、德国FAG 等公司。国内兆瓦以上设备所用的轴承仍处于研发阶段, 以洛轴、瓦轴等为代表的一些企业, 纷纷加大研发力度。其中, 洛轴是国内最早研制、生产风电轴承的企业, 在国内首家成功开发出1. 5MW 风电轴承。统计数据表明, 早期风电齿轮箱故障大多是由轴承引起的。随着技术的成熟,目前轴承引起的故障明显降低, 但仍有约50% 的故障由轴承损坏造成。轴承损坏的主要原因是系统的受力变形导致轴承内外圈不再平行, 滚子局部接触应力过大。因此, 精确的轴承寿命计算方法对风电齿轮箱轴承的设计、选择非常重要。

5、齿轮箱油温过高。最新国家标准规定齿轮箱油温不能超过85°，造成齿轮箱油温过高的有以下几种因素：不充分；传动部件存在卡滞现象；机组振动过大；温度传感器故障等。正常情况下，齿轮箱不会出现油温过高现象，若齿轮箱出现异常高温现象，需仔细分析，判断发生故障的原因。首先应检查油供应是否充分；再次检查齿轮啮合情况，有无金属杂质，传动部件有无卡滞现象；再次检查机组的振动情况和温度传感器是否正常工作。如果是因为机组长时间满发而导致的温度过高，不可盲目开机，应在机组油温恢复正常值后开机运行。

齿轮油位低。齿轮油位低是由于油位低于下限，可能的故障原因有：冬季长时间停机后油温度降低，油位开关因为齿轮油粘度太高而动作迟缓，产生误报；传感器损坏不能正确报警；齿轮箱运转前的静止油位与动态油位相差太大，动态油位偏低，不能正常报警。风电机组发生该故障后，运行人员应及时到现场检查齿轮油位，必要时测试传感器功能。此类故障应根据实际情况作出正确的判断，以免造成不必要的重大损失。

减速器常见故障处理。偏航减速器能够驱动机舱进行旋转，跟随风向的变化而变化，在偏航完成过后就开始制动机舱的运转。间歇工作之间起停很是频繁。因为有安装位置对它形成了障碍，就常使用多级行星减速机构。经过多年的运行的经验来看，减速器工作还是采用双偏航减速器驱动的时候比较正常。单电机驱动的那一类风电机组的减速器的工作情况就不乐观，检查发现减速器的行星齿有疲劳的现象。

四、风电机组振动机理

振动问题是风力发电机组的重要问题，随着机组容量的增加,大型风力发电机组由于结构体积的增大和弹性增加,更加容易引发振动问题,因此机组在设计阶段应该进行机组的固有特性计算、可能会引起的谐振问题的分析和可能引起谐振的运行区域分析,从而避免这些现象。 风轮、塔架、机械传动链的固有频率相互间不能太接近,同时它们和激励源的频率也不可以太接近，大型变速机组的振动问题,主要集中在4 个方面: （1)风轮的气弹效应; (2)机械传动链的扭曲振动,可能会受到气动效应和电气特性的激励; (3)偏航运动引起的振动问题; (4)风轮塔架耦合的整机振动。这几个振动源会相互影响,相互作用,经常需要综合起来考虑，叶片的气动弹性稳定性问题可分为气动弹性静态稳定性和气动弹性动态稳定性两种。

五、风电机组状态监测

在线监测技术在风电机组上的应用在我国目前还处于起步阶段。国内各大风电整机企业陆续幵始在各自的样机产品上试验性安装在线监测设备, 但都没有批量安装。随着风电机组单机容量的不短加大和保险市场的成熟, 在风电机组上配置监测系统将成为一种必然趋势。

1、油样检测。（1）PRUFTECHNIK油品检测系统。该系统监测内容为：颗粒数的分类和统计。该系统通过集成的信号处理器连续的监控、环形缓冲、适合各种油、可测量油温、适合高低流速、防雷电, 其通讯接口为: ModbusTCP 。（2）力士乐的风机油品在线监测系统。该系统使用油中颗粒和水分检测传感器, 分别监测油中的颗粒和水份。

2、信号的在线检测。信号的在线检测必须满足两方面的要求。（1）在线(on—line)。对于连续运行的机械设备是指机器运行（生产)过程（系统)中的检测。是在生产线上的进行，故属于在线检测；（2）动态过程具有多方面的信息，没有必要都检测，所选择的信号及其在机器上的部位都要能敏感地反映工况特征信息的变化。机械故障诊断中的测试系统是1个动态测试系统。测试系统包含着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号的检测和转换、信号的调理、显示和记录。分析与处理等。信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这时的转换多数是电信号之间的转换，包括滤波、限幅、隔直、解调等。信号处理环节将信号进行各种运算、滤波、分析。将结果输至显示、纪录或控制系统。在这些环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系．并尽可能减小或消除各种干扰。

3、信号的特征选取分析。鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的与故障无关的信息，一般不宜作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测信号转换为能表达工况状态的特征量。对于某些具有规律的信号。也可以从波形结构上提取特征量。特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开来。实际生产中，各个特征量对工况状态变化的敏感程度不同，应当选择敏感性强、规律性好的特征量，达到“去粗存精”的目的。

六、改进措施

1、齿轮件的精加工及修形。研究表明，较低的表面粗糙度对抑制齿面微点蚀的产生和改善齿面间的条件、减少磨损、降低摩擦、延长齿轮副的运行寿命及增强抗腐蚀疲劳的能力均有着十分明显的作用。

目前国内齿轮件的表面粗糙度要求为Ra0.8， 甚至低于这个要求。据报道， 国外最终齿面粗糙度可达Ra0.2---Ra0.4，这一工艺目前在我国尚未采用。建议齿轮箱制造商应充分利用现有工艺手段，通过改变磨削介质和工艺参数，采用精磨方法尽量接近上述目标，以便为批量生产高性能风电齿轮箱提供硬件保证。另外，提高齿轮件的加工精度，利用先进的技术和软件进行齿轮的修形，可避免齿轮在传动中受载变形，减小偏载，使载荷平稳过渡，明显降低齿轮箱的噪声和振动。

2、齿轮箱的优化设计。高速轴部套故障在风电齿轮箱故障中占有较高比例，是齿轮箱极易出现故障的部件，如若高速轴不具备可拆卸条件，高速轴部套出现故障后齿轮箱只能进行下塔维修，维修成本及维修周期将增加。因此，齿轮箱在设计过程中，高速轴部套须具备可拆卸的条件。早期设计的齿轮箱，大多齿轮箱高速轴不具备可拆卸的条件。在后续产品维修过程中，高速轴单元须做进一步的优化，使高速轴具备可拆卸的条件。

随着海上风电技术的发展，对风电齿轮箱也提出了更高的要求。因海上风电机组的维护成本较高，要求除了高速轴部套具备可拆卸条件外，其他部套亦具备可拆卸的条件，因此风电齿轮箱的模块化设计要求将更高。

七、日常维护

日常对风电机组的维护包括检查齿轮箱的外观，电气接线等。主要的工作任务包括：清洁齿轮箱的箱体外观；检查齿轮箱的油管路是否泄漏，管路接口是否松动；齿轮箱箱底的放油阀有没有松动或者渗透；检查油位，油色以及油标是否正常。如发现油的颜色变成了黑色而且还比较深，这时就应该要及时更换新油品。检查机组运行时齿轮箱的振动和噪音状况。滤清器的堵塞而导致了报警，就应该及时的查找故障原因必要时要更换滤芯，同时观察油品颜色和杂质是否正常。安装滤清器的外壳时应注意积极线程，受力应要均匀，以免损坏螺纹。检查齿轮箱的散热器是否堵塞，可以通过反向冷却进行清理，或者用刷子进行清扫。

结束语：随着风力发电装备行业的迅猛发展，特别是大功率风力发电机日趋主流，风力发电机及零部件的可靠性将是研发中关注的重点。本文介绍的齿轮箱轴承常见失效模式及其解决方案，旨在帮助设备制造商选取更适合风力发电机齿轮箱应用的轴承解决方案，力求不断优化齿轮箱的设计，使齿轮箱得到大幅的提升。

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