風(fēng)電機(jī)組齒輪箱部件失效故障分析與處理

文 | 周國(guó)棟，楊健

近年來，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模發(fā)展，隨著風(fēng)電機(jī)組的大批量裝機(jī)投用以及投運(yùn)時(shí)間的不斷累積，各類故障也隨之出現(xiàn)，主齒輪箱故障就是其中一類重要故障。主齒輪箱（下稱“齒輪箱”，本文不討論風(fēng)電機(jī)組偏航、變槳等系統(tǒng)的齒輪箱）是水平軸式雙饋風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)重要機(jī)械部件，是機(jī)組主傳動(dòng)鏈的主要組成部分。隨著齒輪箱技術(shù)的發(fā)展，齒輪箱的可靠性得到提升，故障頻次有所降低，但仍須停機(jī)消除齒輪箱故障，嚴(yán)重時(shí)甚至需將齒輪箱吊下塔架處理。因吊裝成本高、處理時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)效益。

齒輪箱有多級(jí)平行軸式、一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸式、兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸式、差動(dòng)行星輪系等多種形式，但均由齒輪、軸承、軸、箱體等基本結(jié)構(gòu)組成。合理分析、準(zhǔn)確判斷、妥善處理齒輪箱故障，才能降低風(fēng)電機(jī)組故障停運(yùn)頻次，縮短處理時(shí)間，減少風(fēng)電場(chǎng)效益損失。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)故障的處理，尤其是對(duì)齒輪箱關(guān)鍵部件失效的處理，往往依賴于風(fēng)電設(shè)備制造廠家工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)判斷，有些處理方案雖然能解決問題，但并不是綜合考慮維修成本和停運(yùn)時(shí)間的最合理方案。本文根據(jù)某大型風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)近十年來的故障實(shí)例，對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱部件失效故障進(jìn)行分析，并提出一些故障處理的思路和建議。

齒輪箱及部件失效故障概況

某風(fēng)電場(chǎng)一期安裝61臺(tái)東方電氣1.5MW風(fēng)電機(jī)組（型號(hào)：FD77C），總?cè)萘?1.5MW，于2009年投入商業(yè)運(yùn)行。該批次機(jī)組的齒輪箱由南高齒、重齒、二重三個(gè)廠家提供。其中，南高齒、重齒的傳動(dòng)形式均為一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸，二重的傳動(dòng)形式為復(fù)合行星加一級(jí)平行軸。

風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)近十年來，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱發(fā)生最多的故障為滲漏油和軸承溫度高等，而影響較大的故障為重要部件失效。一期項(xiàng)目所用風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的重要部件失效故障有39例，包括傳動(dòng)軸齒面磨損、高速軸齒面裂紋、高速軸磨損、高速軸軸承“走外圈”等。按部件可分為齒輪箱輪齒故障、軸承故障、軸故障及齒輪箱體故障四類。

一、齒輪箱輪齒故障

（一）故障簡(jiǎn)析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪輪齒的損傷是相對(duì)比例最大的失效故障形式。其中，齒面接觸疲勞（作用在齒面上的接觸應(yīng)力超過材料的疲勞極限而產(chǎn)生）是輪齒損傷的主要失效形式。在齒輪的使用過程中，硬齒面齒輪以疲勞剝落為主，規(guī)律可歸納為“點(diǎn)蝕—?jiǎng)兟洹獢帻X”三個(gè)階段。一對(duì)齒輪相嚙合時(shí)，兩齒面之間在接觸處產(chǎn)生循環(huán)變化的接觸應(yīng)力σ。如果這種接觸應(yīng)力超過齒面材料的接觸疲勞極限，齒輪工作一定時(shí)間以后，在齒面表層內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)微觀的疲勞裂紋。隨著裂紋的蔓延與擴(kuò)展，齒面金屬表層將產(chǎn)生片狀剝落形成麻坑，即“點(diǎn)蝕”。點(diǎn)蝕會(huì)造成齒面承載面積減少，接觸應(yīng)力迅速增大，不僅加劇齒面的疲勞破壞，同時(shí)也破壞了齒面嚙合的正確性，甚至引起相當(dāng)大的動(dòng)負(fù)荷，直至齒輪齒面大片“剝落”，甚至因“斷齒”而報(bào)廢。

圖1 齒輪齒面接觸應(yīng)力及故障示意圖

除齒輪本身因素外，運(yùn)行工況與齒輪失效也有較大關(guān)系。風(fēng)電齒輪箱上承受的載荷變化較大，特別是由極限風(fēng)速或湍流工況引起的系統(tǒng)過載以及由調(diào)距或機(jī)械制動(dòng)等引起的瞬時(shí)載荷，盡管作用時(shí)間短，但對(duì)齒輪特別是齒面影響極大，易誘發(fā)失效故障。

齒輪箱潤(rùn)滑油不足或油質(zhì)不良會(huì)造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側(cè)隙加大，以至于齒輪因過度減薄導(dǎo)致斷齒。此外，潤(rùn)滑條件不良會(huì)導(dǎo)致齒面間的油膜形成不良，可能導(dǎo)致一個(gè)齒面的金屬熔在與之嚙合的另一個(gè)齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。因此，潤(rùn)滑條件不佳也是導(dǎo)致齒輪失效的重要因素之一。

（二）故障處理

齒輪輪齒故障一般都不局限于少量齒面，通常只能作更換處理。為了便于安裝和保證配合精度，一般需更換齒輪軸組件，甚至當(dāng)出現(xiàn)多對(duì)齒輪失效故障或齒圈斷裂等嚴(yán)重故障時(shí)，可能需要更換整組齒輪箱。對(duì)于此類故障，要通過運(yùn)行維護(hù)分析，及早發(fā)現(xiàn)異常、判斷故障并進(jìn)行處理，受影響損壞的范圍和程度越小，處理難度越低?？刹捎脙?nèi)窺鏡等進(jìn)行深入檢查，確定故障范圍，制定部件更換方案，避免故障處理遺漏。

潤(rùn)滑油對(duì)齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)起著關(guān)鍵的作用，如潤(rùn)滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致油質(zhì)劣化、含水、溫度異常等，都有可能對(duì)齒輪箱機(jī)械部件造成不利影響，甚至直接誘發(fā)失效故障。因此，當(dāng)發(fā)生齒輪故障時(shí)，應(yīng)同時(shí)關(guān)注齒輪箱潤(rùn)滑油的健康情況。

二、軸承故障

（一）故障簡(jiǎn)析

由于安裝不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、潤(rùn)滑介質(zhì)污染和工作環(huán)境惡劣等因素，軸承會(huì)出現(xiàn)磨損、過載、過熱、腐蝕、疲勞等情況，進(jìn)而產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等造成失效，最終導(dǎo)致齒輪箱損壞。如在低速輸入端，載荷大且潤(rùn)滑不利，主軸軸承易發(fā)生損壞；而在高速端，由于發(fā)電機(jī)軸和齒輪箱高速軸連接中易出現(xiàn)角度偏差和徑向偏移，因軸向和徑向擾動(dòng)力產(chǎn)生的變載荷長(zhǎng)時(shí)間作用在高速端軸承上，造成軸承損壞。軸承的常見失效方式有磨損、保持架變形、滾珠脫落、電點(diǎn)蝕、腐蝕、壓痕等。

（二）故障處理

軸承失效故障處理一般只需更換故障軸承，但由于往往伴隨軸、齒輪等其他部件故障，需要深入檢查，避免故障處理遺漏。對(duì)軸承故障問題，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注齒輪箱潤(rùn)滑油的情況，上文已提及，這里不再贅述。

三、軸故障

（一）故障簡(jiǎn)析

齒輪箱軸系在很多情況下會(huì)出現(xiàn)軸不平衡、長(zhǎng)期偏載、瞬時(shí)沖擊、異常振動(dòng)等非正常工況，導(dǎo)致軸故障。軸故障主要表現(xiàn)為磨損、彎曲變形和斷裂。其中，軸彎曲故障一般為長(zhǎng)時(shí)間偏載造成，常出現(xiàn)在輸入端；軸斷裂極少出現(xiàn)，高速軸在故障急停中受到?jīng)_擊過大可能發(fā)生斷裂；軸磨損是最為常見的故障，在高速軸上較為頻發(fā)，主要是由于軸與安裝在軸上的軸承發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，俗稱軸承“走內(nèi)圈”。

該風(fēng)電場(chǎng)一期項(xiàng)目所用的齒輪箱經(jīng)過5年以上的運(yùn)行周期，出現(xiàn)機(jī)械部件磨損、老化等故障。其中，某型齒輪箱高速軸軸承“走內(nèi)圈”故障較為頻發(fā)，20臺(tái)同型號(hào)齒輪箱中相繼有8臺(tái)出現(xiàn)該故障，均在高速軸輸出端。經(jīng)解體檢查分析，高速軸軸承“走內(nèi)圈”的主要原因是軸承并緊螺母上只裝配有一只鎖緊螺栓，在運(yùn)行中因鎖緊力不夠?qū)е缕涫苷袼蓜?dòng)。高速軸齒輪為斜齒輪，運(yùn)行過程產(chǎn)生的一部分軸向力需由高速軸軸承承擔(dān)。以軸承內(nèi)圈為分析對(duì)象，受力示意圖如圖2所示。

圖2 軸承內(nèi)圈受力示意圖

軸承內(nèi)圈將高速軸的軸向力傳遞到軸承滾珠，軸承內(nèi)圈受到滾珠的反作用力F、軸的摩擦力f，以及并緊螺母預(yù)緊對(duì)軸承內(nèi)圈的摩擦力N三個(gè)切向力共同作用，其中F＝f＋N。當(dāng)切向作用力F一定時(shí)，N越小，f越大；當(dāng)并緊螺母無法鎖緊軸承時(shí)，N＝0，F(xiàn)＝f；當(dāng)F超過最大靜摩擦力fmax時(shí)，軸承內(nèi)圈與軸出現(xiàn)相對(duì)軸向位移，產(chǎn)生動(dòng)摩擦，F(xiàn)的方向會(huì)因工況發(fā)生變化，軸承內(nèi)圈也會(huì)有反向位移，如此往復(fù)會(huì)使軸承內(nèi)圈與軸間產(chǎn)生動(dòng)摩擦而磨損，因兩者配合過盈量較少，徑向壓力P減小，由于fmax正比于P，磨損逐漸加劇。

同時(shí)，由于并緊螺母松動(dòng)，預(yù)緊力消失，軸承穩(wěn)定性隨之降低，軸承振動(dòng)增大，磨損加劇。此外，過大的振動(dòng)和竄動(dòng)會(huì)加劇軸承發(fā)熱，軸承內(nèi)圈受熱膨脹將導(dǎo)致其與軸徑的過盈量進(jìn)一步減少，配合過盈不足也會(huì)加劇軸承與軸的這種動(dòng)摩擦，最終導(dǎo)致軸承“走內(nèi)圈”故障。

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所用的8臺(tái)故障高速軸進(jìn)行修復(fù)處理。將其余12臺(tái)同型號(hào)齒輪箱高速軸抽出檢查，對(duì)軸承并緊螺母和螺母鎖緊螺栓復(fù)緊，并再加裝一根鎖緊螺栓，防止并緊螺母松動(dòng)。修復(fù)高速軸時(shí)，也全部按此措施處理。

（二）故障處理方法

1.一般處理方法

對(duì)于軸磨損故障，如早期發(fā)現(xiàn)，軸磨損程度較輕，一般單側(cè)磨損量不大于0.3mm，可采用涂鍍工藝修復(fù)（工藝成熟，修復(fù)效果也較為可靠）。但當(dāng)磨損到一定程度，因成本上升且鍍層易脫落，涂鍍工藝不再適用，只能采用其他方式進(jìn)行修復(fù)，如采用焊補(bǔ)后機(jī)加工處理。

傳統(tǒng)的焊補(bǔ)由于熱輸入量大，軸易發(fā)生變形，整軸加工精度遭到破壞，即使合理控制工藝，盡可能避免發(fā)生變形，焊接熱應(yīng)力集中的問題仍然難以避免，運(yùn)行中在軸的焊接熱影響區(qū)易再次出現(xiàn)故障，甚至誘發(fā)斷軸。從齒輪箱整體的安全可靠性考慮，齒輪箱廠家一般建議更換新軸組件，但費(fèi)用也較高。

2.激光熔覆處理技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是激光在機(jī)械加工領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一。它是利用大功率、高能量激光束聚焦能量極高的特點(diǎn)，瞬間將被加工件表面金屬微熔，同時(shí)使零件表面預(yù)置或同步自動(dòng)送置的合金粉劑完全熔化。激光束掃描后合金快速凝固，獲得與零件基體完全冶金結(jié)合的致密熔覆層。與其他傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在修復(fù)齒輪箱高速軸磨損時(shí)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）熔覆過程中熱輸入量低，高速軸不會(huì)變形；

（2）激光熔覆時(shí)產(chǎn)生的不良組織很少，不需要做熱處理來消除；

（3）激光熔覆的材料與基材的融合性能好，結(jié)合強(qiáng)度高；

圖3 高速軸軸承檔出現(xiàn)較嚴(yán)重磨損

表1 兩種軸修復(fù)方式成本對(duì)比

（4）熔覆過程自動(dòng)操作，質(zhì)量穩(wěn)定。

（三）故障處理實(shí)例

該風(fēng)電場(chǎng)8臺(tái)發(fā)生齒輪箱高速軸磨損缺陷的風(fēng)電機(jī)組中僅有1臺(tái)磨損程度較輕（單側(cè)磨損最大0.25mm，采用涂鍍工藝修復(fù)），其余7臺(tái)的磨損量均在1mm以上，最大的單側(cè)磨損量達(dá)2.8mm。齒輪箱廠家建議更換全部高速軸組件，但結(jié)合缺陷情況，并考慮更換成本，風(fēng)電場(chǎng)未采取廠家建議，而是將磨損嚴(yán)重的高速軸經(jīng)無損探傷確認(rèn)基材無缺陷后，送至專業(yè)的激光熔覆廠家進(jìn)行修復(fù)。

修復(fù)高速軸回裝齒輪箱恢復(fù)運(yùn)行后，通過持續(xù)狀態(tài)跟蹤，確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行狀況平穩(wěn)，振動(dòng)、溫度等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均較修前有明顯改善，全部在正常值范圍內(nèi)。定期開蓋檢查也未發(fā)現(xiàn)修復(fù)高速軸軸承檔再次發(fā)生“走內(nèi)圈”故障，修復(fù)效果優(yōu)良。表1為兩種方式的成本對(duì)比。該風(fēng)電場(chǎng)利用激光熔覆修復(fù)高速軸，共節(jié)省檢修材料費(fèi)用54.4萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

四、齒輪箱體故障

（一）故障簡(jiǎn)析

齒輪箱體失效故障包括箱體變形、局部裂紋、箱體磨量小，具有常溫焊補(bǔ)、基體不變形、組織不改變等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理為將存儲(chǔ)于電容器中的電能在瞬間釋放于黑色金屬材質(zhì)工件和焊補(bǔ)材料的連接處，電流熱效應(yīng)作用于兩者接觸電阻使其迅速熔化結(jié)合，其主要工藝特點(diǎn)如下：

（1）小范圍短時(shí)間發(fā)熱（一般受熱點(diǎn)小于1mm3，時(shí)間不超過1ms），大部分熱量都瞬間消散。焊補(bǔ)過程中焊補(bǔ)點(diǎn)附近基體都處于常溫狀態(tài)（基體溫升一般小于20℃），幾乎沒有基體變形、組織改變、焊接應(yīng)力集中、焊接裂紋、焊接硬化、焊點(diǎn)退火等不良影響，基本不影響機(jī)械加工性能，不影響淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理工藝，可用于鑄件焊補(bǔ)，焊補(bǔ)后可進(jìn)行后續(xù)機(jī)加工。

（2）每個(gè)焊補(bǔ)點(diǎn)為補(bǔ)材與基材熔化后的再結(jié)合，在焊補(bǔ)點(diǎn)處結(jié)合牢固、致密，熔接強(qiáng)度高，不會(huì)發(fā)生脫落；修復(fù)精度高，補(bǔ)焊后只需少量打磨、拋光，后處理工作量小，修復(fù)后不留痕跡。

（3） 設(shè)備設(shè)施簡(jiǎn)單，適用范圍廣泛，可在狹小空間作業(yè)，能夠滿足多種金屬材質(zhì)的修補(bǔ)需求。

冷熔脈沖焊的幾個(gè)工藝特點(diǎn)正好適用于齒輪箱體軸承內(nèi)孔的焊補(bǔ)，考慮修復(fù)的可靠性和現(xiàn)場(chǎng)的可操作性，認(rèn)為冷熔脈沖焊、焊后現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)打磨為最合適方案。

（三）故障處理實(shí)例

1.概述

某風(fēng)電場(chǎng)一期項(xiàng)目所用的61臺(tái)齒輪箱中，共有21臺(tái)存在中速級(jí)或高速級(jí)軸承“走外圈”現(xiàn)象。對(duì)于初期發(fā)現(xiàn)的齒輪箱箱體軸承孔磨損故障，齒輪箱廠家都要求下架維修或者更換新齒輪箱，但齒輪箱上、下架工作量大，維修成本高，風(fēng)電機(jī)組也因此長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，更換新齒輪箱的成本則更高。綜合各方面考慮，風(fēng)電場(chǎng)管理方?jīng)Q定自主對(duì)齒輪箱軸承孔磨損較嚴(yán)重的1～12#風(fēng)電機(jī)組齒輪箱進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)揭蓋更換中速級(jí)和軸承孔修復(fù)處理，軸承孔修復(fù)全部采用冷熔脈沖焊修復(fù)手段，并跟蹤后續(xù)運(yùn)行情況。

2.工藝流程及注意點(diǎn)

（1）解體揭蓋，現(xiàn)場(chǎng)清理

停運(yùn)風(fēng)電機(jī)組并做好安全措施后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行解體揭蓋（妥善保存拆卸部件），必要時(shí)拆除周邊的線纜、探頭等，以確?，F(xiàn)場(chǎng)有一定的空間滿足運(yùn)維人員實(shí)施焊接、打磨工作。應(yīng)注意保護(hù)好箱體的配合面和密封面，防止其受到損傷。

（2）齒輪箱軸承孔檢查，磨損情況測(cè)量

清理軸承孔表面，檢查齒輪箱軸承孔表面情況，測(cè)量各檔內(nèi)徑尺寸，檢查磨損程度和范圍，確定補(bǔ)焊區(qū)域及合理損等，其中較常見的是齒輪箱軸承裝配孔內(nèi)圓磨損，表現(xiàn)為軸承“走外圈”。有些場(chǎng)合將此類故障歸為軸承故障，但從部件失效的角度來說，軸承“走外圈”直接造成齒輪箱體磨損失效，故在此歸為齒輪箱體故障。它一般是由于軸承選型、安裝、調(diào)整不當(dāng)，或者潤(rùn)滑不良造成，齒輪箱體與軸承外圈之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，從而引起箱體內(nèi)孔磨損，這又加劇了箱體與軸承外圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致軸承“走外圈”。此外，齒輪箱體變形也可能造成軸承“走外圈”。軸承箱體一般為鑄件，材質(zhì)硬度遠(yuǎn)小于軸承外圈，磨損主要發(fā)生在箱體上。箱體軸承孔磨損量大會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)偏載，引發(fā)齒面斷裂等其他部件失效故障，因而，此類故障須盡早發(fā)現(xiàn)并處理。

（二）現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)方案

對(duì)于齒輪箱箱體軸承內(nèi)孔磨損故障，即使是早期磨損程度較輕的故障，處理起來也十分困難。之前業(yè)界的普遍做法是將齒輪箱整體下架維修，但該方法工作量大，吊裝費(fèi)用成本高昂，且風(fēng)電機(jī)組因此停運(yùn)的時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)效益損失較大。

具體分析現(xiàn)場(chǎng)齒輪箱故障情況，在有效的運(yùn)維管理和分析診斷基礎(chǔ)上，及早發(fā)現(xiàn)齒輪箱箱體軸承孔磨損缺陷，如果磨損范圍有限，理論上，只要找到基準(zhǔn)面，利用修復(fù)手段恢復(fù)軸承孔原始尺寸，保證形位公差，就能使齒輪箱軸承恢復(fù)原同心度運(yùn)行。本文以在機(jī)艙內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)軸承內(nèi)孔磨損為目標(biāo)，初步提出了軸承座鑲套、激光熔覆、高性能分子合金修復(fù)材料填充修復(fù)、冷熔脈沖焊四個(gè)實(shí)施方案。

軸承座鑲套是常規(guī)的機(jī)加工處理手段，對(duì)箱體磨損內(nèi)圓加工，再加工一個(gè)內(nèi)孔與齒輪箱軸承孔原始尺寸一致的襯套，鑲配到齒輪箱體上。該工藝成熟可靠，齒輪箱下架返廠維修一般都是采取鑲套處理。根據(jù)上文介紹，激光熔覆技術(shù)的加工效果可靠。但兩個(gè)方案都需要在機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)狹小的空間里架設(shè)機(jī)加工機(jī)具，經(jīng)空間尺寸校核后，認(rèn)為機(jī)具現(xiàn)場(chǎng)安裝就位困難，因此，上述兩個(gè)方案都不可行。

高性能分子合金修復(fù)材料填充修復(fù)方案屬于新工藝，修復(fù)材料完全固化后硬度較高，可以起到在磨損區(qū)域緊密填充間隙的作用，一般靜態(tài)部件修復(fù)都能取得較好效果。但由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中受力情況復(fù)雜，軸承會(huì)受到復(fù)雜交變、沖擊載荷作用，填充材料存在破裂隱患。一旦發(fā)生破裂，齒輪箱體軸承座將再度失效。因此，出于可靠性的考慮，也未采用該方案。

冷熔脈沖焊不同于常規(guī)電弧焊，由于單位時(shí)間輸入熱的補(bǔ)焊方案。需要注意的是，齒輪箱軸承孔表面在高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)多力循環(huán)后，局部可能產(chǎn)生疲勞磨損，在表面可看到少量麻點(diǎn)或凹坑。實(shí)際上該區(qū)域表面已形成疲勞層，基體強(qiáng)度顯著下降，應(yīng)在表面清理時(shí)打磨去除，否則會(huì)直接影響修復(fù)后的基體強(qiáng)度。表面初步處理完成后，可進(jìn)行必要的無損檢測(cè)，避免遺漏隱性缺陷，影響修復(fù)質(zhì)量。

（3）實(shí)施冷熔脈沖焊

由專業(yè)人員采用專用的焊接機(jī)具進(jìn)行冷熔脈沖焊，一般選用強(qiáng)度高、塑性好且耐腐蝕的鎳基焊材。焊接是整個(gè)修復(fù)過程的關(guān)鍵，應(yīng)注意補(bǔ)焊速度不宜過快，關(guān)注基材溫升情況，焊點(diǎn)要整齊致密，避免人為原因造成氣孔缺陷。

（4）制作研磨、檢測(cè)工具

根據(jù)齒輪箱軸承內(nèi)孔尺寸制作樣板和芯棒，用于焊后打磨和檢查?？筛鶕?jù)軸承外圈配合尺寸，預(yù)先準(zhǔn)備好樣板和芯棒，以縮短風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)處理時(shí)間。

（5）手工打磨加工，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

利用準(zhǔn)備好的扇形樣板，對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行手工打磨，可使用電動(dòng)磨削工具，但必須控制好打磨量，避免重復(fù)處理。采用透光法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，完成粗加工，基本恢復(fù)齒輪箱軸承內(nèi)孔尺寸。

（6）手工研磨，恢復(fù)軸承孔的尺寸精度

利用加工好的芯棒，對(duì)齒輪箱軸承孔進(jìn)行研磨，用藍(lán)油檢查接觸情況，恢復(fù)軸承孔的尺寸精度。芯棒應(yīng)便于手扶或握，尺寸不宜過小，避免偏斜，也可先加工扇形樣板進(jìn)行研磨。

（7）對(duì)軸承更型，裝配防外圈跟轉(zhuǎn)軸承

新裝配中速級(jí)軸承選用同型號(hào)外圈帶防轉(zhuǎn)槽軸承，并在箱體軸承內(nèi)孔相應(yīng)位置打孔裝配防轉(zhuǎn)銷。

（四）修復(fù)后運(yùn)行情況及后評(píng)估

1～12#風(fēng)電機(jī)組齒輪箱于2015年6月完成修復(fù)并恢復(fù)運(yùn)行，修后的運(yùn)行情況表明，齒輪箱運(yùn)行狀況平穩(wěn)，振動(dòng)、溫度等各項(xiàng)參數(shù)均較修前有明顯改善，全部在正常值范圍內(nèi)。定期開蓋檢查也未發(fā)現(xiàn)修復(fù)軸承孔再出現(xiàn)軸承“走外圈”現(xiàn)象，證明了冷熔焊修復(fù)齒輪箱箱體軸承孔方案的可行性。該風(fēng)電場(chǎng)后期另有4臺(tái)同類型故障齒輪箱也采用該方案修復(fù)，全部連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)異常，修復(fù)可靠性得到證實(shí)。齒輪箱廠家也認(rèn)可了該處理方案，并效仿該方案在其生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱同類型故障在線維修中使用。

由表2可知，在機(jī)艙內(nèi)修復(fù)1臺(tái)齒輪箱箱體軸承孔相比1臺(tái)齒輪箱下架維修，可大幅節(jié)省維修費(fèi)用，同時(shí)避免了大型部件吊裝過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 箱體軸承內(nèi)孔磨損情況示意圖

表2 兩種箱體修復(fù)方式成本對(duì)比

對(duì)于這5臺(tái)箱體軸承內(nèi)孔磨損較嚴(yán)重的齒輪箱（齒輪箱中速級(jí)受影響已損壞），如根據(jù)齒輪箱廠家意見，采用全部下架舊齒輪箱、更換新齒輪箱的方案處理，保守統(tǒng)計(jì)共需625萬元。而采用冷熔脈沖焊在機(jī)艙內(nèi)修復(fù)箱體軸承孔，并更換全套新中速級(jí)共產(chǎn)生費(fèi)用125萬元，節(jié)省費(fèi)用500萬元。此外，在機(jī)艙內(nèi)修復(fù)還大大縮短了故障停機(jī)時(shí)間，提高了風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)效益。增加的效益與風(fēng)力條件有關(guān)，此處不再進(jìn)行估算。

結(jié)語

近年來，大型風(fēng)電機(jī)組大批量安裝投用，運(yùn)行時(shí)間不斷累積，主齒輪箱部件失效故障越來越多。針對(duì)部件失效故障，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)合理分析，準(zhǔn)確判斷，制定合理的處理方案，避免盲目擴(kuò)大處理范圍和更換部件，更好地控制故障處理成本，縮短故障處理時(shí)間，提升運(yùn)維管理水平，提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。