淺談風電機組變槳齒圈磨損原因分析及修復方法

李維，崔艷東，高煜坤，劉斌斌

（1.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100036；2.河北龍源風力發(fā)電有限公司，河北 承德 068457）

新能源行業(yè)得到社會各界的廣泛關注。在多種新能源形式中，風電憑借蘊藏量大、分布廣泛等優(yōu)勢，被認為是實現碳達峰、碳中和的重要途徑之一。2020年是風電搶裝年，全國風電新增并網裝機7167萬kW，截至2020年年底，全國累計裝機2.81億kW，平均棄風率3%，呈良好態(tài)勢。

變槳齒圈是風電機組的核心部件之一。其功能是調節(jié)葉片迎風角度，以確保風機能夠捕獲最佳動能。在運行過程中，由于變槳齒圈長期在0°齒附近反復嚙合，因此會導致0°齒附近的3～5個齒發(fā)生不同程度磨損。

本文針對變槳齒圈磨損情況，分析了磨損后果，研究了磨損原因，并有針對性地設計了修復方法。該技術可供廣大風場參考。

1 磨損原因分析

變槳齒圈磨損原因主要包括以下幾點。

（1）設計不合理。變槳系統的齒輪傳動包括驅動齒和變槳齒圈，如圖1所示。其中，驅動齒的齒數一般為14～16個，而變槳齒圈的齒數往往超過140個。根據機械設計原理一般認為，當大齒輪的齒數遠遠高于小齒輪時，在傳動過程中，大齒輪的齒嚙合次數要遠遠低于小齒輪，故應將大齒輪設計為軟齒面，將小齒輪設計為硬齒面，以保證二者磨損程度盡量相同。然而，在風電機組變槳系統中，絕大多數時間內都是變槳齒圈0°齒附近的3～5個齒參與嚙合，極少出現一圈齒參與嚙合的情況。在該情況下，變槳齒圈將加速磨損。此外，由于變槳齒圈成本高且更換代價大，而驅動齒更換相對簡單且代價小，因此應設計為變槳齒圈更耐磨。

圖1 變槳系統

（2）微動嚙合頻繁。變槳系統運行過程中，驅動齒和變槳齒圈嚙合非常頻繁。尤其是隨著風機功率設計的不斷增大，變槳動作頻率也逐漸增加。例如，某進口品牌風機，其功率為2.6MW，葉輪每轉一圈，變槳系統都要動作一次，以保證風機能獲取最佳的風能。

（3）潤滑效果差。變槳齒圈為開式齒輪，開式齒輪的潤滑效果差一直是難以解決的問題。變槳系統運行一段時間后，黏附在齒表面的潤滑脂被逐漸擠壓離開嚙合齒面，導致齒面磨損加速，如圖2所示。尤其是近年來風機運維成本持續(xù)下降，甚至存在運維人員缺乏責任心，沒有認真涂抹潤滑脂，更會加劇變槳齒圈的磨損。

圖2 變槳齒圈磨損

2 磨損后果

變槳齒圈出現磨損后，針對磨損量的不同，會導致不同程度的后果。以某國產品牌1.5MW風機為例，分析如下。

2.1 磨損量達到2mm時

根據《GB/T 29717-2013 滾動軸承 風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》，變槳齒圈齒面、齒根應進行表面淬火，表面硬度為50HRC～60HRC，有效硬化層深度不得低于2mm。因此，當磨損量大于2mm時，磨損速度將大大加快，而磨損量變大后，修復方法將更加復雜，修復工時更長，修復成本也更高。

2.2 磨損量達到3.4mm時

《GB/T 32077-2015風力發(fā)電機組 變槳距系統》指出，風力發(fā)電機組在額定載荷下，變槳距系統定位誤差不應大于0.75°。若采用統一變槳距控制的變槳距控制系統三個葉片的不同步不應大于1°。計算得到，當磨損量達到3.5mm時，齒圈已經無法保證足變槳定位誤差要求。需要指出的是，該磨損量是指單面磨損量，而不是兩面磨損量的總和。

2.3 磨損量達到3.6mm時

參考《JBT 5664-2007 重載齒輪 失效判據》可知，任何一種磨損，或數種磨損同時存在，當齒根兩側耗損量之和ΔS（mm）與齒輪法向模數mn（mm）的百分比M（M=ΔS/mn）達到或超過相關指標時，應被判為失效。針對變槳齒圈，當兩側總磨損達到3.6mm時即失效。需要指出的是，一般變槳齒圈的磨損為單面磨損，因此，建議單面磨損量達到3.6mm時即判斷為失效，避免出現更嚴重的問題。

2.4 磨損量達到4mm時

依據機械設計手冊，從振動和噪聲角度考慮，硬齒面低速齒輪磨損量允許達模數的1/3，變槳軸承齒模數為12mm，其兩邊共計極限磨損量為4mm左右。即當磨損量達到4mm時，變槳系統傳動將出現嚴重的振動和噪聲。

2.5 磨損量達到4.5mm時

根據《ISO 6336-5:2003 Calculation of load capacity of spurand helical gears.Strength and quality of materials》，當齒的兩邊磨損量達到4.5mm時，會有強度風險，即此時有輪齒折斷的風險。如果出現輪齒折斷，必須馬上停機進行維修，否則，齒輪傳動振動劇烈，會導致更多輪齒發(fā)生折斷。

3 修復方法

傳統的解決方案，是將葉片進行吊裝下來，隨后更換變槳齒圈，再吊裝上去進行安裝。該解決方案周期長，成本高，發(fā)電量損失大。近年來，多個風場嘗試采用在線修復，即人員上塔修復，修復工期短，成本低，不影響風場發(fā)電。修復過程包括幾點。

（1）表面清理。采用清洗劑，對修復表面進行清理，除去表面的油污、異物等雜質。

（2）表面打磨。對表面生銹處及粗糙處進行打磨，直至出現金屬光澤，具備焊接條件。

（3）加熱去氫。采用熱風槍對修復面進行加熱，去除表面的水分，避免后續(xù)修復出現氫脆等問題。

（4）焊接。采用專用焊條，在磨損面進行堆焊修復。堆焊時，應盡量降低焊接熱輸入，控制層間溫度，避免組織晶粒粗大以及冷裂紋。焊接過程中，應實時去除焊渣，避免出現夾渣等缺陷。

（5）打磨修型。焊接完成后，對修復齒面進行打磨，打磨過程中須使用齒形板進行齒形檢測，當齒形滿足要求后，停止打磨。

（6）質量檢查。用探傷劑檢查是否有裂紋等缺陷，用硬度計檢測修復后齒面硬度，用齒形板和游標卡尺檢測齒形誤差，檢查沒有質量問題后，可以結束修復工作。

4 工程應用

該技術在某國產品牌風機上進行了應用，修復前后效果如圖3、4所示?？梢钥吹?，修復后，齒形得到恢復，齒面硬度提高，探傷無裂紋等缺陷。目前，該風機已經運行了一年多，運行狀況良好，且未再次出現磨損問題。

圖3 修復前

圖4 修復后

5 結語

變槳齒圈是風電機組核心部件之一。風機運行一段時間后，變槳齒圈容易出現磨損，影響風機運行。本文分析了變槳齒圈磨損的后果及原因，介紹了一種新的修復工藝，可為廣大風場提供參考。