探析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見的故障分析及檢測方法

胡殿昊　李佳明　高偉

[摘要]目前，齒輪箱故障在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障占據(jù)著很大部分，齒輪箱作為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，其損壞不僅會大大增加維修費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和吊裝費(fèi)用，還會帶來巨大的電量損失。因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見的故障進(jìn)行分析和檢測，對提前預(yù)防故障具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)此本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見的故障及檢測方法進(jìn)行了具體分析。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；齒輪箱；故障分析；檢測方法

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見的故障

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受齒面嚙合時承受的荷載不均勻和輪齒嚙入、嚙出的沖擊，都會直接導(dǎo)致故障。據(jù)此，筆者對一些常見的故障進(jìn)行了具體分析。

（一）膠合

膠合是相嚙合齒面在嚙合處的邊界膜被破壞，導(dǎo)致接觸齒面金屬熔焊而撕落齒面上的金屬現(xiàn)象。導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)樵谥剌d和高速傳動下，齒輪箱在齒面高溫嚙合區(qū)產(chǎn)生的潤滑不良或者干澀，導(dǎo)致嚙合的齒面熔焊在一起。

（二）點(diǎn)蝕

在齒輪實(shí)際切合的過程中，受脈動力和重載荷的作用，齒面深處會產(chǎn)生循環(huán)變化的剪應(yīng)力，在超過輪齒材料的疲勞極限時，齒面的接觸面就會產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致齒面細(xì)小金屬片的剝落，形成小坑，即為點(diǎn)蝕，更為嚴(yán)重時，還會導(dǎo)致齒面形成大塊金屬連片脫落。

（三）斷齒

輪齒折斷大多情況下，是由根部細(xì)微裂紋在周期性應(yīng)力作用下逐步擴(kuò)展形成的，齒輪在運(yùn)作過程中，出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊、偏載或局部應(yīng)力過大等問題，都會導(dǎo)致斷齒現(xiàn)象發(fā)生。

（四）滲漏油

滲漏油是齒輪箱傳動系統(tǒng)中常見的故障，漏油會對齒輪和軸承等的潤滑效果造成不良影響，導(dǎo)致各運(yùn)動零配件之間的摩擦加劇，從而減少零件的使用壽命，更有甚者會直接導(dǎo)致齒輪箱不能正常運(yùn)作。在設(shè)備維護(hù)工作中，齒輪箱滲漏油的主要原因有很多，即密封件損壞或安裝問題，導(dǎo)致接合面密封不嚴(yán)：相對運(yùn)動的零件尺寸配合間隙過大，或由于長期運(yùn)動磨損，導(dǎo)致間隙過大；箱體鑄造存在氣孔和沙眼等缺陷：工作溫度過高，潤滑油管變形或存在裂縫，導(dǎo)致油管漏油。

（五）油溫高

齒輪箱油溫高是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長時間處于滿發(fā)狀態(tài)，潤滑油因齒輪箱發(fā)熱而溫度上升超過設(shè)定值。一般齒輪箱油溫高是由多種原因共同導(dǎo)致的，也可以是單一問題導(dǎo)致。總之，造成油溫高的主要原因有很多，即齒輪箱油冷卻回路堵塞、閥件損壞、散熱器通風(fēng)不暢；齒輪箱達(dá)到一定疲勞極限，效率下降嚴(yán)重超出冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極限；機(jī)艙內(nèi)部溫度較高，冷卻效果急劇下降；潤滑油潤滑效果嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致齒輪嚙合效率下降，發(fā)熱量增大；輪系布置不合理，軸系對中效果不好，導(dǎo)致額外應(yīng)力集中；溫度傳感器及傳輸回路本身問題或者其他設(shè)計(jì)缺陷。

（六）齒面磨損

齒輪的磨損部位為漸開線工作工作面、齒的嚙合處以及齒輪兩端面。齒輪齒面磨損一般主要分為四種情況，其一是由接觸表面上的金屬以一定的速率緩慢的損耗，導(dǎo)致正常磨損或磨光，在預(yù)期壽命內(nèi)，將不會對齒輪的正常使用造成影響。其二是受長期重負(fù)荷作用的影響，齒輪發(fā)生破壞，屬于中度磨損，是金屬的損耗，這種磨損會嚴(yán)重影響齒輪的使用壽命。其三是齒面的損壞，很容易導(dǎo)致齒輪的使用壽命大大降低，并嚴(yán)重影響其平穩(wěn)性。其四是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一些細(xì)顆粒進(jìn)入齒輪的嚙合中，導(dǎo)致?lián)p壞。

（七）軸承損壞

在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承長期受重載和交變載荷的影響，在交變沖擊作用下，軸承很有可能造成各種損壞。同時，安裝偏心、潤滑不良和油膜震蕩等問題，都會導(dǎo)致軸承發(fā)生故障，主要的表現(xiàn)形式是軸承外圈銹蝕、內(nèi)圈磨損、滾動體故障等等。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見故障的檢測方法

大多數(shù)情況下，齒輪箱發(fā)生故障都是能夠采取相應(yīng)的合理手段加以解決、甚至避免的，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)大型風(fēng)機(jī)廠家技術(shù)革新，可以采取以下有效措施，對齒輪箱缺陷的發(fā)生進(jìn)行預(yù)防，并檢測齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)和劣化趨勢。

（一）安裝離線式濾油裝置

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱潤滑油主要污染包括顆粒物、水和氧化產(chǎn)物等污染物，其對潤滑油和設(shè)備本身，會大大增加齒輪和軸承疲勞、磨損等風(fēng)險。風(fēng)機(jī)齒輪箱在運(yùn)行過程中，清潔度需要符合ISO17/15/12的標(biāo)準(zhǔn)，污染程度如果超出標(biāo)準(zhǔn)，就必須及時進(jìn)行新油更換，或者使用高精度的濾器，以此滿足相關(guān)要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱附帶線過濾器，精度大多在10-50μm。但是一般中型載荷的油系統(tǒng)中，10μm以上的顆粒物只占了10%左右，大約70-80%的顆粒物大約在1-5μm之間。因此，齒輪箱附帶線的過濾器根本不能起到有效的保護(hù)作用，這些小顆粒物進(jìn)入齒面和軸承間隙中，就會知道導(dǎo)致齒輪和軸承的磨損，甚至失效。為了滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的潤滑油清潔度要求，加強(qiáng)齒輪系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，可以使用高精度、功能齊全的離線精濾器，以此有效吸附顆粒物、水分和氧化物，確保潤滑油的清潔度維持在良好水平，從而延長油品和機(jī)械設(shè)備的壽命。

（二）合理使用故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)始于機(jī)械設(shè)備，主要包括監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生異常情況后，分析和診斷設(shè)備的故障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB-18451.1《風(fēng)力機(jī)安全要求》中進(jìn)行了明確要求，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有屬于自己的一套獨(dú)立于控制系統(tǒng)外的保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)超速、過載和過分振動等情況下起作用。目前，在市場上技術(shù)比較成熟的齒輪箱故障診斷技術(shù)，就是風(fēng)電機(jī)組振動狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)，能夠警報和預(yù)測設(shè)備的故障，并有效評估機(jī)組機(jī)械傳動部分運(yùn)行狀態(tài)，從而避免缺陷被擴(kuò)大化，這對設(shè)備的維護(hù)和檢修工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（三）建立完善的維護(hù)檢修標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GBT1907-32008《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱》的相關(guān)規(guī)定，即為確保齒輪箱正常運(yùn)行，必須隨機(jī)監(jiān)控和定期檢查齒輪箱的工程。在運(yùn)轉(zhuǎn)三天內(nèi)進(jìn)行首次檢測，在試運(yùn)行1000h后，再進(jìn)行復(fù)測，在運(yùn)行6個月后，再進(jìn)行檢測，隨后按照規(guī)定進(jìn)行間隔性檢測。定期對齒輪箱工作溫度、清潔度、噪聲、振動等級、軸承及齒輪的工作情況、油液及整體運(yùn)行情況等進(jìn)行檢查。定期清理濾清器，更換潤滑油。在平時，齒輪箱的維護(hù)主要是檢查和處理整體外觀、附件、電氣接線和潤滑油狀態(tài)等。對齒輪箱進(jìn)行定期維護(hù)，需要借助器械、儀表和委托檢驗(yàn)的方式進(jìn)行維護(hù)，關(guān)鍵做好齒輪箱的螺栓力矩檢查，軸系對中校核和潤滑油取樣化驗(yàn)，特別要根據(jù)有化驗(yàn)的數(shù)據(jù)參數(shù)建立油品分析臺賬，建立橫向和縱向分析機(jī)制。有條件的企業(yè)可以輔助內(nèi)窺鏡檢查和振動分析儀的測量，加強(qiáng)齒輪箱內(nèi)部嚙合部件運(yùn)行工況的檢查和測量。

三、結(jié)語

綜上所述，齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要機(jī)械傳動部件，由于運(yùn)行工況比較復(fù)雜，交互載荷變換十分頻繁，零件數(shù)量繁多，運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)過大，因此必須切實(shí)結(jié)合常規(guī)檢測維護(hù)手段和新技術(shù)，全面預(yù)防和判斷設(shè)備故障發(fā)生的趨勢和劣化的可能，從而確保風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)得以正常運(yùn)行。