風電齒輪箱可靠性分析與研究

徐莘博等

摘要：在我國風電機組一般安裝在高山、荒原、海島等風口處，容易受到沙塵、低溫、臺風、冰雪、鹽分等惡劣氣候環境的影響。由于風電機組經常受無規律的、變向的、變負荷的風力作用，會導致葉片表面損傷乃至脆斷。齒輪箱密封潤滑系統功能退化、低溫停機較長時間后變速箱內油溫低、黏稠度大等都會降低液壓系統壽命。傳動鏈特別是齒輪箱系統中由關鍵零部件失效引發故障而導致停機的時間占機組總停機時間的比例居高不下是影響系統性能和可靠性服役的關鍵性問題。

關鍵詞：風電齒輪箱；失效；可靠性分析

1.風電齒輪箱主要失效形式

根據失效部位進行分類，風電齒輪箱的故障主要有 箱體故障、行星架故障、軸故障、齒輪故障、軸承故障及潤 滑冷卻系統故障等。

突發性的陣風或者電網故障導致的突發載荷 、 發生故障時的緊急制動等 ，都會產生較大載荷，有時甚至超過額定載荷數倍，引起齒輪的過載折斷。齒輪損傷主要包括輪齒折斷（斷 齒）、齒面疲勞（點蝕）、齒面膠合、齒面磨損等。從應用初期的微點蝕，到逐步擴展的大面積點蝕、剝落或磨損。斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。由于齒面在交變載荷下承受過大的接觸剪應力、過多的應力循環次數，因此齒面容易發生膠合、點蝕、齒面剝落、表面壓碎等 損傷。另外軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區等也會引起輪齒的沖擊折斷.比較典型的是行星輪系， 行星輪在運轉過程中總是雙向受力，受齒輪精度、強度的影響，容易出現疲勞斷齒現象。行星架損壞部位容易出現在行星孔等強度較弱的部位以及與行星輪或行星架軸承相近的部位。

1.1軸承

軸承是齒輪箱中另一個重要故障源。由于安裝、潤滑、污染和工作環境等因素，軸承出現了磨損超負載、過熱、腐蝕、導電、疲勞等現象，使軸承產生點蝕、裂紋、表面剝落等問題而失效，從而使齒輪箱發生損壞在低速輸入端，低速重載情況比較典型，良好的潤滑條件難以形成，這是造成主軸軸承損壞的重要原因。高速端的軸承，因為發電機軸和齒輪箱高速軸連接中通常存在角度偏差和徑向偏移，它們隨輸出功率的變化而變化；這會產生一定頻率的軸向和徑向的擾動力，從而引起軸承溫升而使軸承損壞。當軸出現故障時應立即停止運轉齒輪箱，并對損壞的軸和其他損壞件進行維修或更換。

1.2箱體故障

箱體主要有箱體斷裂，止口變形或斷裂，軸承座磨損 等故障形式，。箱體損壞部位大多出現在箱體。與齒圈連接處，損壞嚴重時伴隨著連接箱體與齒圈的螺栓發生剪斷。箱體損壞也容易出現在箱體上軸承座處，當旋轉軸的軸向定位失效時，旋轉軸可能對軸承座造成磨 損。箱體出現損壞時，應立即停止運轉齒輪箱，并對箱體和其他損壞件進行更換或維修。當箱體損壞面積較小或損壞程度較輕時，可以對箱體進行適當的修復，如修磨、校正或鑲件等。當箱體損壞較嚴重時，可以更換新箱體。

1.3潤滑冷卻系統故障

潤滑系統主要有油泵故障、加熱器故障、冷卻器故 障、濾芯堵塞、管路堵塞或滲漏等故障形式齒 輪箱的滲漏油情況主要發生在箱體與齒圈結合面、端蓋與箱體結合面、低速軸和高速軸軸頸處 、潤滑冷卻系統管接頭處等。漏油問題大多可歸結為原有結構缺陷在惡劣工作環境 影響下的結果。齒輪箱的接口端和管接頭處由于存在密封結構的設計不合理或者密封質量問題 （包括低溫和振動載荷情況下的油封老化等），均有可能發生漏油，同時漏油處也容易造成外部灰塵進入箱體而污染潤滑油 。傳動鏈及齒輪箱中各類由潤滑不充分導致的問題出現得也較多。潤滑不充分非常容易導致傳動副的關鍵接觸區的干磨，這是齒面、主軸、軸承等磨損的 根源之一。另外，長期運轉之后在接觸部位出現了磨損，潤滑油質會包含雜質污染，引起過熱等故障。

1.4結構與裝配問題

裝配工藝及技術質量（盡管部分最終體現為零件的加工質量及材料技術性能問題）是導致零部 件失效和系統故障的直接技術根源。主傳動鏈在結構性能上具有明顯的剛柔耦合特點，在惡劣載荷條件下，裝配誤差（及結構變形）與長期服役過程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用，最終會導致關鍵傳動零部件發生疲勞失效。大型風電傳動齒輪箱區別于普通齒輪箱的最大特 點就在于所承受載荷的無規律性風速多為3～25m/s當前主流的1.5～3.0MW 齒 輪 箱 的 最 大功率幅值可能達到名義功率值的 3～4 倍（反 轉可以達到2倍左右）。這對風電傳動系統中剛度較低的空心低速中間軸、行星輪系等零部件的影響相當顯著，因為主流3MW 齒輪箱 的長和寬通常在3m以上，總質量在20t以上 ，輸入力矩在2MN· m 左右，在這個尺度 上 ，材料加工問題、輸送和組裝過程中的損壞、轉子的不對稱導致產生彎曲現象，而接部 件的軸偏心、軸承和支撐部件的組裝有誤等各類技術原因導致的零部件制造、裝配誤差的絕 對值相對較大。風電齒輪箱中傳動系的裝配偏心誤差 、齒距誤差及平行度誤差等，在復雜載 荷（特別是在超過設計負荷下工作時導致扭矩過大）下會進一步惡化傳動件的配合接觸狀態，擴大輪系結構的偏心誤差等，從而誘發振動問題，進而導致應力集中加劇及結構失效等現象的 出 現。主傳動鏈在結構性能上具有明顯的剛柔耦合特點，在惡劣載荷條件下 ，裝配誤差（及結構變形）與長期服役過程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用，最終會導致關鍵傳動零部件 發生疲勞失效 。

參考文獻：

[1]楊軍，秦大同，陳會濤，周志剛.風力發電機傳動系統隨機風速下的載荷特性研究[J].中國機械工程，2011（15）.

[2]李國云，秦大同.風力發電機齒輪箱加速疲勞試驗技術分析[J].重慶大學學報，2009（11）.

作者簡介：徐莘博（1994—），男，江西豐城人，工作單位：大連理工大學，職務：本科學生，研究方向：微機電系統。