風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損案例分析

王 圓，劉 靜，梁培沛

（龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程技術(shù)有限公司，北京 100034）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電起著極其重要的作用。通過油液監(jiān)測(cè)技術(shù)可以監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的潤(rùn)滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)，之后通過內(nèi)窺鏡檢查驗(yàn)證該齒輪箱的磨損程度。

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)控，可以有效地評(píng)判在用潤(rùn)滑油的性能狀況和預(yù)防設(shè)備磨損故障隱患[1]。工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查是預(yù)警式維護(hù)，對(duì)維修時(shí)間的推斷是非常有效的，將其和油液監(jiān)測(cè)相結(jié)合更直觀了解設(shè)備內(nèi)部磨損情況，為設(shè)備維修提供決策支持。

1 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

一般的雙饋型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱采用一級(jí)行星二級(jí)平行結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包括法蘭，中箱體，后箱體和輸出齒輪；變速機(jī)構(gòu)包括第1～4 級(jí)齒輪、行星輪和太陽(yáng)輪。

1.2 工作原理

風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)的主軸（低速軸）傳遞風(fēng)輪扭矩到齒輪箱的一級(jí)行星齒輪，一級(jí)行星齒輪通過二級(jí)平行軸齒輪傳遞扭轉(zhuǎn)，使低轉(zhuǎn)速大扭矩載荷轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速低扭矩載荷，便于發(fā)電機(jī)的吸收；最后電機(jī)軸（高速軸）上的扭矩通過切割電磁形成電能，完成風(fēng)能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化[2]。

2 油液監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱起增速作用，運(yùn)行時(shí)載荷多變，易發(fā)生故障，通過油液監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)控機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)；油液監(jiān)測(cè)分析診斷結(jié)論一般分為3 個(gè)等級(jí)，分別為正常、注意和報(bào)警。

（1）“正?！笔侵冈谟脻?rùn)滑油各項(xiàng)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常值范圍內(nèi)，可以滿足設(shè)備潤(rùn)滑要求，且設(shè)備潤(rùn)滑、磨損狀態(tài)均良好。

（2）“注意”是指在用潤(rùn)滑油一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)超出正常值范圍、油品不能完全滿足設(shè)備潤(rùn)滑要求，設(shè)備潤(rùn)滑、磨損狀態(tài)可能存在故障隱患，宜引起現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注，并要求現(xiàn)場(chǎng)在必要時(shí)采取取樣復(fù)檢、加強(qiáng)巡視等措施。

（3）“報(bào)警”是指在用潤(rùn)滑油一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)連續(xù)多次檢測(cè)值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報(bào)警值范圍內(nèi)，油品劣化明顯，已無法滿足設(shè)備潤(rùn)滑要求。設(shè)備運(yùn)行存在故障隱患，需采取更換潤(rùn)滑油、部件檢修等維護(hù)措施。

為避免取樣不規(guī)范等干擾因素影響判別結(jié)論的準(zhǔn)確性，對(duì)于首次檢測(cè)到“報(bào)警”值的樣品，一般應(yīng)至少取樣復(fù)檢一次再進(jìn)行確認(rèn)（排除取樣環(huán)節(jié)可能的干擾因素），報(bào)告給出復(fù)檢結(jié)論后應(yīng)在一個(gè)月內(nèi)完成取樣復(fù)檢。

3 案列分析

按照風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的磨損程度，將其分為輕度磨損、中度磨損和重度磨損三種，下面分別舉例說明。

3.1 齒輪箱輕度磨損

某風(fēng)電場(chǎng)2#機(jī)組齒輪油2018 年檢測(cè)時(shí)，其黏度和鐵元素含量均正常，2019 年檢測(cè)時(shí)，黏度明顯降低，鐵元素含量明顯升高（表1），齒輪油達(dá)到“注意”級(jí)別。由于黏度降低造成油膜變薄，增加摩擦副的磨損，導(dǎo)致鐵元素升高。如圖1 所示，油品中含有少量的正常磨損顆粒，磨損情況屬輕度，現(xiàn)場(chǎng)為慎重起見對(duì)齒輪箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，結(jié)果顯示機(jī)組低速軸和行星輪葉片側(cè)軸承有輕微擦傷（圖2），建議持續(xù)關(guān)注該機(jī)組齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)，并在6 個(gè)月后取樣復(fù)檢。

表1 某風(fēng)電場(chǎng)2#機(jī)組檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 齒輪箱中度磨損

圖1 2#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖2 2#機(jī)組低速軸和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡圖片

某風(fēng)電場(chǎng)1#機(jī)組齒輪油中表征磨損鐵顆粒含量的PQ 指數(shù)已超標(biāo)（＞50），鐵元素也超標(biāo)（＞100 mg/kg），已達(dá)到“報(bào)警”級(jí)別，圖3 是100×顯微鏡下的分析鐵譜，由圖3 可見油品中含有大量不同尺寸的磨損鐵磁顆粒，除有大量的正常磨粒（粒徑＜10 μm）以外，有疲勞剝落顆粒（粒徑＞50 μm），推測(cè)齒輪箱內(nèi)部有異常磨損，經(jīng)與風(fēng)電場(chǎng)核實(shí)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)齒輪箱出現(xiàn)異響聲。對(duì)機(jī)組齒輪箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，結(jié)果見圖4，其內(nèi)齒圈有輕微點(diǎn)蝕（圖4a），軸承滾動(dòng)體表面有凹坑，剝落嚴(yán)重（圖4b）。之后機(jī)組停止運(yùn)行，并將齒輪箱下塔維修。

3.3 齒輪箱重度磨損案例

圖3 1#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖4 1#機(jī)組內(nèi)齒圈和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡圖片

表2 某風(fēng)電場(chǎng)3#機(jī)組檢測(cè)數(shù)據(jù)

某風(fēng)電場(chǎng)3#機(jī)組齒輪油第一次油液監(jiān)測(cè)時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常，后續(xù)檢測(cè)3 次，發(fā)現(xiàn)鐵元素連續(xù)3次超標(biāo)，PQ 指數(shù)連續(xù)2 次超標(biāo)（表2）。圖5 分析鐵譜顯示，油品中含有大量疲勞剝落磨粒（粒徑＞50 μm），已達(dá)到“報(bào)警”級(jí)別，內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)齒圈有大量點(diǎn)蝕（圖6a），行星輪葉片側(cè)軸承有嚴(yán)重的剝落（圖6b），與油液檢測(cè)結(jié)果一致，之后該機(jī)組停止運(yùn)行，齒輪箱下塔維修。

圖5 3#機(jī)組齒輪油分析鐵譜（100×）

圖6 機(jī)組內(nèi)齒圈和行星輪葉片側(cè)軸承內(nèi)窺鏡圖片

4 故障表現(xiàn)及應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上述各類型齒輪箱磨損故障，采用的針對(duì)性應(yīng)對(duì)措施見表3。

表3 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障表現(xiàn)及應(yīng)對(duì)措施

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，也是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組中成本較高的部件之一，通過油液監(jiān)測(cè)和內(nèi)窺鏡檢查相結(jié)合的方式，能及時(shí)、直觀地發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備的磨損隱患，對(duì)設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)，避免設(shè)備主要摩擦部件因潤(rùn)滑不良造成異常磨損，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。