風電齒輪箱高速軸故障處理與分析

招妙妍

一、簡介

德國Jahnel-Kestermann Getriebewerke GmbH（簡稱Jake）是一家專業設計生產風電增速齒輪箱的公司，早期伴隨國內直接進口德國風電機組或引進德國風電機組設計技術的時候，曾經有一批風電機組采用了Jake公司增速齒輪箱。

汕頭風場采用的33臺1.5MW雙饋型變槳變頻風力發電機組，機組中使用的齒輪箱全部是德國Jake公司生產的PPSC1290型兩級行星一級平行軸傳動結構的齒輪箱，雖然低速級和中間級采用了兩級行星傳遞結構，使用過程中表現得比較穩定，但作為高速級的第三級平行軸傳遞結構因為轉速較高，相對扭矩也大，長時間持續工作，出現故障的情況比較多。

二、故障

某日，汕頭風場22#機組運行中發現齒輪箱高速軸后軸承溫度偏高，類似火車撞擊鐵軌的低沉異響。用聽針對齒輪箱各級齒輪進行檢查，低速級齒輪和中速級齒輪運行的響聲不是很大，但高速軸一側聽到的異響聲明顯。初步判斷齒輪箱高速軸軸承或者齒輪可能有損壞。隨后檢查齒輪箱潤滑油位和潤滑油油壓，都在正常范圍。齒輪箱潤滑油油溫和旁邊的其他齒輪箱潤滑油油溫相比偏高，齒輪箱潤滑油過濾器前后壓差偏大。

用內窺鏡檢查，發現高速軸前軸承滾子輥柱碎裂脫落。由此判斷，齒輪箱高速軸軸承溫升異常和異響原因是高速軸軸承損壞。損壞的高速軸前軸承輥柱見圖1。

更換高速軸前軸承，型號由NKE NJ2324E.M換為SKF NJ2324ECMA，測量軸承外圈跟齒輪箱配合處的間隙。考慮到軸承的破損可能導致有碎片掉入箱體，于是將齒輪箱油放光，用32插板以及65插板將第3個加熱器拆開，檢查是否有軸承碎片，以便清理。清理完齒輪箱底部的軸承碎片，重新裝上加熱器。

拆下的高速軸后軸承是圓錐滾子軸承，此軸承滾子的磨損點蝕失效，導致滾子接觸面金屬粘連剝落，進而導致輥柱破裂。軸承中靠近發電機側的輥柱普遍產生表面金屬粘連剝落，而靠近齒側的輥柱沒有磨損，只有被灼燒的痕跡（圖2）。

由于Jake1.5MW風電增速齒輪箱采用2P+1H傳動結構型式（圖3），高速軸后軸承是雙向固定，軸承外圈通過端蓋預緊。這種固定方式特別容易受到裝配精度的影響。間隙過大，容易造成軸向竄動；間隙過小，潤滑不充分，加劇摩擦生熱，表面軟化，過早出現異常剝落。

三、故障原因

機組在使用過程中，由于發電機重量和工作過程中的動載荷，導致機座后端有一定的下沉，雖然齒輪箱輸出軸和發電機輸入軸之間采用了高彈性高適應對中能力的Centa彈性聯軸器，僅對后端發電機下沉后有一定的補償調解作用，但齒輪箱輸出軸的高速軸前、后軸承所承受的載荷更加復雜，出現故障的情況會比較多。更換軸承后，重新對機組進行對中調整，機組運轉至今一切正常。

拆下來的軸承為NKE品牌的31328X/DF，根據NKE樣本介紹，圓錐滾子軸承31328X/DF采用油潤滑時額定轉速為1300r/min，但Jake1.5MW齒輪箱運行中額定轉速為1750r/min，實際運行速度可能高達1800r/min，遠大于樣本上規定的轉速。后來換用SKF品牌的31328XJ2/DF，極限轉速為2200r/min，使用至今沒有出現任何異常。