風(fēng)電機(jī)組齒輪箱常見故障及防護(hù)措施

郭阿童

（國電電力湖南新能源開發(fā)有限公司，長沙 410000）

近年來，國內(nèi)風(fēng)電能源產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，年發(fā)電量也不斷增加，保障了國內(nèi)電力穩(wěn)定供應(yīng)。由于風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，隨著投運(yùn)時(shí)間的累加，風(fēng)電機(jī)組各類故障也開始出現(xiàn)，齒輪箱故障就是其中一類常見的故障。齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的重要機(jī)械部件之一，是機(jī)組主傳動(dòng)鏈的重要組成部分，主要作用是將風(fēng)輪的動(dòng)力進(jìn)行增速后傳遞給發(fā)電機(jī)[1]。齒輪箱多是安裝在塔頂機(jī)艙的狹小空間內(nèi)，長年受極端溫差、振動(dòng)及變載負(fù)荷等多種因素影響，易出現(xiàn)故障，如果故障較大需要下塔維護(hù)的話，不僅維修費(fèi)用較高，而且維修周期長，影響風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)齒輪箱常見的故障進(jìn)行分類匯總，并利用科學(xué)的防護(hù)措施降低其故障發(fā)生率，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 風(fēng)電機(jī)組常用的幾種齒輪箱結(jié)構(gòu)形式

在當(dāng)前國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組中，常用的齒輪箱結(jié)構(gòu)主要有三級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、一級(jí)行星齒輪加二級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，以及二級(jí)行星機(jī)構(gòu)串聯(lián)軸傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)形式。三級(jí)平行軸圓柱齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較簡單，為上下對(duì)開的齒輪傳動(dòng)，拆裝起來比較便捷。該齒輪箱的輸入軸直接和葉片的輪轂連接在一起，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)低速大齒輪旋轉(zhuǎn)，一級(jí)齒輪軸將扭矩增速后傳遞給二級(jí)增速齒輪，通過二級(jí)齒輪增速后傳到輸出軸，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。該結(jié)構(gòu)的箱體體積及重量較大，在兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用少。一級(jí)行星齒輪加二級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)多在兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用，該齒輪箱的結(jié)構(gòu)比較緊湊，低速齒輪扭矩大，行星架和機(jī)組主軸連接在一起，葉片旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力由行星輪傳遞給太陽輪，再利用花鍵連接傳給低速軸，通過中間齒輪的傳動(dòng)將動(dòng)力傳到輸出軸，結(jié)構(gòu)采用行星傳動(dòng)，太陽輪的質(zhì)量小、慣性小，第二級(jí)和第三級(jí)的齒輪扭矩小，減速比分配均勻，傳動(dòng)效率比較高。二級(jí)行星機(jī)構(gòu)串聯(lián)軸傳動(dòng)是一級(jí)行星架與主軸連接，扭矩傳遞到太陽輪，再通過第二級(jí)的行星輪傳遞到串聯(lián)軸，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。該箱體結(jié)構(gòu)尺寸比較小，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造精度要求高，適用于結(jié)構(gòu)緊湊的動(dòng)力傳動(dòng)。

2 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱主要故障

2.1 齒輪損傷

齒輪損傷是齒輪箱故障中發(fā)生最多的一種，某風(fēng)電場2021年齒輪箱故障共計(jì)發(fā)生11次，其中6次和齒輪損傷有關(guān)。齒輪損傷主要包括齒輪點(diǎn)蝕、磨損、斷齒等多種形式，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生較多的是點(diǎn)蝕[2]。點(diǎn)蝕產(chǎn)生的原因是齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪的嚙合面會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力隨著機(jī)組載荷的變化而不斷變化。如果嚙合面的接觸應(yīng)力長期超過齒輪材料本身的疲勞極限，齒輪內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微觀裂紋，裂紋會(huì)隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸蔓延，最后齒輪的表面就會(huì)出現(xiàn)麻坑，即所謂的點(diǎn)蝕。齒輪面出現(xiàn)點(diǎn)蝕后，齒輪面的承載面積就會(huì)減少，并增加齒輪的接觸應(yīng)力，加劇齒輪的疲勞損傷，有可能導(dǎo)致齒面脫落。磨損多是由于齒輪潤滑油的清潔度差、黏性差、潤滑不足等因素導(dǎo)致的。斷齒產(chǎn)生的主要原因是極限風(fēng)速導(dǎo)致的系統(tǒng)過載，緊急制動(dòng)或者是工況變化引起的瞬時(shí)載荷等，以及軸承損壞、較大硬物的沖擊等。另外，齒輪材料本身的缺陷（強(qiáng)度不夠、熱處理工藝不達(dá)標(biāo)等），長期磨損導(dǎo)致的齒輪減薄等也是造成齒輪斷齒的主要因素之一。在實(shí)際運(yùn)行中，行星級(jí)齒輪、中間級(jí)齒輪等出現(xiàn)斷齒故障后，多數(shù)都需要拆卸后下塔維修。

2.2 齒輪箱油溫高

齒輪箱油溫高，主要是由于油溫監(jiān)測回路故障、齒輪箱油冷電氣控制回路故障、油冷執(zhí)行回路故障等原因?qū)е碌摹Ｒ鹩蜏乇O(jiān)測回路故障的主要因素有：外界環(huán)境的干擾（雷擊、電磁干擾、柳絮堵塞散熱器通風(fēng)口等）、溫度監(jiān)測模塊損壞、油溫傳感器損壞、監(jiān)測回路斷線或松動(dòng)（連接線固定螺栓松動(dòng)、絕緣破損、導(dǎo)線連接處斷股等）。齒輪箱油冷電氣控制回路的故障現(xiàn)象為控制回路指示燈不亮、常閉點(diǎn)斷開、常開點(diǎn)閉合等，主要原因是油冷電機(jī)泵或散熱器的控制接觸器線圈出現(xiàn)接地、斷線、相間短路等故障。此外，控制回路絕緣接地也會(huì)導(dǎo)致油冷電氣控制回路故障[3]。齒輪箱油冷執(zhí)行回路包括馬達(dá)電機(jī)、油管、散熱器片、冷卻風(fēng)扇等，主要故障現(xiàn)象為馬達(dá)運(yùn)行聲音異常、油管堵塞、散熱器片堵塞、冷卻風(fēng)扇的扇葉損壞、電機(jī)卡死等。導(dǎo)致齒輪箱油冷執(zhí)行回路故障的主要原因是電機(jī)繞組斷線、接地、絕緣擊穿、電機(jī)回路接線端子螺栓松動(dòng)、導(dǎo)線接頭斷股、電機(jī)空開本體故障、散熱片被灰塵堵塞等。此外，接觸器故障（本體卡澀、相間絕緣被擊穿、接線端子燒毀等）、供電總電源故障（三相電壓不平衡、供電回路電纜接地、短路等）也是導(dǎo)致齒輪箱油冷執(zhí)行回路故障的主要因素。

2.3 軸承損壞

由于風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境及載荷復(fù)雜多變，齒輪箱的載荷也不斷變化，導(dǎo)致軸承易出現(xiàn)故障。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，早期風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障中發(fā)生最多的就是軸承故障，隨著軸承技術(shù)以及現(xiàn)場維護(hù)策略的不斷成熟完善，軸承故障發(fā)生率大大降低，但是軸承故障仍舊時(shí)有發(fā)生，而且軸承故障往往會(huì)給齒輪箱帶來較大的破壞[4]。軸承故障主要是磨損、過熱、腐蝕、裂紋、表面脫落等，主要故障原因是安裝不當(dāng)、潤滑不良（潤滑油不足、失效、不清潔等）、軸承座或軸變形引起的游隙變化等。在實(shí)際中，由于軸承選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致軸承承受的徑向載荷不滿足運(yùn)行要求而出現(xiàn)軸承打滑現(xiàn)象；潤滑油不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致軸承潤滑不良，潤滑油清潔度不夠會(huì)使雜質(zhì)進(jìn)入到軸承滾道間導(dǎo)致軸承磨損；軸承初始游隙設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致軸承溫差大。在軸承的故障中，由于潤滑不良因素導(dǎo)致的故障較多，主要包括回油孔設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的回油不暢，油嘴位置設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致潤滑油量小，潤滑油抗磨性及黏溫特性差，以及潤滑油更換不及時(shí)等。

2.4 齒輪箱體故障

齒輪箱故障主要有箱體滲油、變形、局部裂紋以及磨損等。箱體滲油主要發(fā)生在箱體與齒圈、端蓋的結(jié)合面，高速軸與低速軸的軸頸處等。箱體與齒圈結(jié)合面漏油主要是由于結(jié)合面密封條密封不良，箱體與齒圈連接螺栓松動(dòng)等因素導(dǎo)致。齒輪箱高、低速軸軸頸處滲油主要是由于回油不暢（回油孔堵塞），密封件選用不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е隆４送?，潤滑油管接頭松動(dòng)，連接處密封膠失效，接頭密封不良等也是造成齒輪箱滲油的重要原因。箱體變形主要是由于齒輪件的加工精度不夠，部件裝配誤差大，箱體材料的強(qiáng)度不足等因素導(dǎo)致。箱體局部裂紋是由于箱體材料或熱處理不達(dá)標(biāo)，在運(yùn)行中受到?jīng)_擊載荷的影響出現(xiàn)的箱體裂紋或齒圈開裂現(xiàn)象。箱體磨損主要表現(xiàn)為齒輪箱軸承裝配孔內(nèi)圓磨損，也被稱為“走外圈”[5]。齒輪箱體材料為鑄件，硬度比軸承小，因此軸承外圓磨損主要發(fā)生在箱體上。在實(shí)際中，由于軸承選型以及安裝不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致軸承外圈與箱體間產(chǎn)生摩擦，摩擦?xí)鹣潴w內(nèi)孔磨損，長時(shí)間的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。

2.5 其它故障

齒輪箱其它故障主要有：空心管斷裂、齒輪箱油漆脫落、內(nèi)部齒輪生銹等。齒輪箱空心管也被稱為穿線管，風(fēng)電機(jī)組輪轂信號(hào)線穿過空心管和滑環(huán)單元相連接，空心管斷裂會(huì)影響機(jī)組安全運(yùn)行，斷裂的主要部位在空心管和軸承軸頸的焊接處，主要是由于焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，如未焊透、焊接裂紋等因素導(dǎo)致的。齒輪箱油漆脫落主要發(fā)生在齒輪箱縮進(jìn)盤表面，由于縮進(jìn)盤表面光滑，油漆附著力不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致油漆脫落。齒輪生銹主要是由于齒輪箱長時(shí)間放置而防護(hù)措施不當(dāng)，導(dǎo)致齒輪件表面出現(xiàn)銹蝕。

3 齒輪箱故障防護(hù)措施

3.1 加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障除了設(shè)備自身材料質(zhì)量及制造工藝等因素的影響外，主要是運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的。因此，要加強(qiáng)對(duì)齒輪箱的日常維護(hù)，降低其故障發(fā)生率。維護(hù)管理人員要按照廠商提供的《齒輪箱全壽命周期內(nèi)運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)書》內(nèi)容，并結(jié)合風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，制定完善的日常維護(hù)內(nèi)容，加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)管理[6]。比如，齒輪箱在塔下存放過程中，要做好防水、防潮、防塵保護(hù)，定期檢查齒輪箱內(nèi)部的濾芯、油管狀況，定期清理零部件銹蝕、雜質(zhì)、灰塵等。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不發(fā)電需要塔上臨時(shí)停機(jī)時(shí)，要做好齒輪箱的相應(yīng)保護(hù)，傳動(dòng)鏈連續(xù)鎖住時(shí)間不宜超過一周，防止葉輪晃動(dòng)導(dǎo)致齒輪副嚙合齒來回?cái)[動(dòng)，在嚙合處產(chǎn)生磨損。正常運(yùn)行時(shí)，由于潤滑不良會(huì)導(dǎo)致齒輪箱多種故障發(fā)生，因此需要每6個(gè)月對(duì)齒輪箱潤滑油檢測一次，關(guān)注潤滑油的黏度、酸值、水分含量以及顆粒物等指標(biāo)變化，如果潤滑油品質(zhì)不達(dá)標(biāo)要及時(shí)更換。定期檢查油路軟管是否有滲油或老化現(xiàn)象，潤滑硬油管有無接頭失效，有無滲油點(diǎn)、油封及防塵圈有無老化或滲油，壓力傳感器及壓差傳感器運(yùn)行狀況是否良好等。檢查齒輪有無點(diǎn)蝕、磨損、斷齒等情況，軸承有無磨損、滾珠脫落等情況，緊固件和連接件有無松動(dòng)，監(jiān)測回路導(dǎo)線有無斷股、虛接、短路、接地等，箱體有無變形、開裂等。

3.2 應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)和檢查儀器

齒輪箱在塔頂安裝，小的故障不易被發(fā)現(xiàn)，利用在線監(jiān)測技術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)齒輪箱存在的安全隱患，及時(shí)采取優(yōu)化改進(jìn)措施。在實(shí)際中，常用的在線監(jiān)測技術(shù)是振動(dòng)頻譜分析技術(shù)，通過對(duì)齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)的收集和振動(dòng)波形的分析，判斷出故障部位。利用在齒輪箱上安裝的在線監(jiān)測設(shè)備收集齒輪箱的運(yùn)行數(shù)據(jù)，齒輪箱發(fā)生故障后，振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，或者嚙合頻率處的頻譜值會(huì)明顯變大，結(jié)合這些特征可以定位齒輪箱故障部位。利用在線監(jiān)測，可以掌握齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)及異常征兆，提前發(fā)現(xiàn)故障[7]。實(shí)際中，可單獨(dú)建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，也可以在齒輪箱上安裝在線監(jiān)測傳感器，通過收集、分析傳感器數(shù)據(jù)來達(dá)到監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的目的。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只有借助儀器才能更好地檢查內(nèi)部零部件的運(yùn)行狀況及細(xì)微的缺陷。在實(shí)際中，常用內(nèi)窺鏡來檢查箱體內(nèi)部。內(nèi)窺鏡攜帶比較方便，而且清晰度高，操作簡單，利用探頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體內(nèi)部的檢查。當(dāng)出現(xiàn)出齒輪箱噪聲大、振動(dòng)異常等狀況時(shí)，將探頭從箱體的窺視孔伸入到內(nèi)部進(jìn)行檢查，主要檢查行星及圓柱齒輪面是不是有點(diǎn)蝕、磨損等情況，軸承是否有磨損情況，根據(jù)檢查結(jié)果采取預(yù)防措施，避免小缺陷發(fā)展成大故障。

3.3 建立齒輪箱管理檔案

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐，總結(jié)出齒輪箱故障的發(fā)生是一個(gè)漸變過程，只有通過連續(xù)的狀態(tài)跟蹤才能更好地掌握其狀態(tài)，為開展運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。檔案的內(nèi)容主要包括齒輪箱基本信息、軸承及齒輪參數(shù)信息、潤滑油的指標(biāo)變化信息、定期監(jiān)測與檢查的信息，以及故障處理記錄等。齒輪箱基本信息包括生產(chǎn)廠家、出廠編號(hào)、制造日期以及運(yùn)行時(shí)間等，軸承及齒輪參數(shù)主要包括產(chǎn)品的型號(hào)、基本的運(yùn)行參數(shù)信息等，潤滑油信息主要包括出廠前廠家提供的檢測數(shù)據(jù)、安裝后風(fēng)電場取樣檢測的數(shù)據(jù)，以及運(yùn)行6個(gè)月后的油品檢測數(shù)據(jù)。將潤滑油各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)制成曲線圖，通過觀察油品指標(biāo)變化來監(jiān)測潤滑油的品質(zhì)。定期監(jiān)測及檢查的信息主要包括在線監(jiān)測的齒輪箱關(guān)鍵部位（行星輪、軸承、高、低速軸、輸入端和輸出端等）的數(shù)據(jù)信息以及日常檢查維護(hù)的信息。故障處理記錄主要包括每次故障發(fā)生的部位、發(fā)生的原因、有無更換零部件、更換的部件名稱等信息，維護(hù)人員每次進(jìn)行故障排除后將處理記錄以表格的形式提交給技術(shù)部門，存檔備案，利用管理檔案，可以實(shí)現(xiàn)齒輪箱全壽命周期的管理和維護(hù)，不僅能提高管理效率，還能降低故障發(fā)生率。

4 結(jié)束語

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，其狀態(tài)是否良好對(duì)于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行有重要的影響。隨著風(fēng)電機(jī)組大量投用及運(yùn)行時(shí)間的增加，齒輪箱故障發(fā)生率也開始提高，影響機(jī)組安全運(yùn)行。因此，要做好齒輪箱的運(yùn)行維護(hù)管理工作，做好前期預(yù)防，延長其運(yùn)行壽命，減少維護(hù)成本，提高風(fēng)電場的發(fā)電效益。