基于某風電齒輪箱高速軸故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，閆鑫

基于某風電齒輪箱高速軸故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，閆鑫

齒輪、軸承等旋轉部件作為風電齒輪箱中的關鍵零部件，對使用工況、潤滑狀態及內部清潔度等有著極高的要求，上述因素有任何改變或異常，都將對這些零部件的使用造成極大的影響，甚至導致齒輪或軸承失效，給整機廠商及風電場業主帶來巨大損失。

對于已經成熟應用的風電齒輪箱來說，也時不時地會遇到一些重大故障，而引起故障的原因則可能僅僅是因為一些認識上的不足而導致的應用不當，使齒輪箱的使用工況發生了微妙的變化。本文通過對一例風電齒輪箱高速軸故障的分析，找出了引起該故障的原因。對比風電齒輪箱在應用過程中出現的各類情況，發現了存在類似情況的兩種應用現象，通過分析找出了潛在風險并提出了規避的預防措施，為現場應用提供了參考。

某高速軸故障情況描述

某型號風電齒輪箱在客戶總裝后進行全功率測試，其中一臺在試驗初期系統尚未加載時就發生了高速軸軸承高溫異常，并伴隨有異響的情況。經拆解檢查，發現高速軸上風向軸承已嚴重受損，如圖1所示，其他未見異常。

故障原因分析

根據該風電齒輪箱結構、該受損軸承的安裝位置及運轉受力情況可知，在正常工況下，該高速軸在斜齒的嚙合下旋轉，其將受到軸向力，此時，下風向圓錐軸承將受到軸向推力與該軸的軸向力平衡，為主要承載軸承，上風向圓錐軸承成為非主要承載軸承。該起故障的受損部件為非主要承載軸承，非常罕見。

該齒輪箱的使用過程，僅經歷了全功率試驗，為搞清該起故障的真正原因，遂對該齒輪箱的試驗過程進行了全面的調查。

經過調查發現，該齒輪箱在試驗過程中，曾出現了因設備故障而調整電機的啟動順序的現象，其他過程沒有異常。遂對該過程進行了認真的研究。

而調整電機的啟動順序，對于采用背對背電封閉的試驗臺來講，因系統兩側的電機及配置基本對稱，理論上是完全可行的，并且在實際試驗中也被大量應用。風電齒輪箱的加載試驗臺大多都是這種配型，其在試驗中是可以隨意進行啟動順序的調整的。

全功率試驗臺結構簡圖如圖2所示，其在結構上與標準的背對背電封閉試驗臺又存在一定的不同。在電機二和齒輪箱二間設置拖動電機，為試驗臺提供初始轉速，在轉速達到1400rpm之后電機二并網，繼續提升系統的轉速，此時，拖動電機斷電隨系統一起空轉。電機一則根據試驗的具體要求進行是否并網動作，最終完成空載或加載試驗。拖動電機的存在，打破了背對背加載試驗臺的對稱關系。

分析該齒輪箱的試驗過程可知：

一、正常的電機啟動順序下

該試驗過程，初始為拖動電機拖動齒輪箱二，由齒輪箱二再拖動齒輪箱一進行旋轉，之后電機二并網，轉為電機二拖動齒輪箱二，依然是齒輪箱二拖動齒輪箱一一起旋轉。整改過程的齒輪箱受力方向一致，不存在異常受力情況。

二、調整電機啟動順序后

該試驗過程，初始為拖動電機帶動齒輪箱二，由齒輪箱二再拖動齒輪箱一進行旋轉，之后電機一并網，開始由電機一拖動齒輪箱一旋轉，并由齒輪箱一拖動齒輪箱二一起旋轉，該過程發生了齒輪箱受力的突然反向，異常受力的情況由此發生。

由于電機一的并網導致了齒輪箱的受力突然反向，此時，最早受到沖擊的，必然是高速軸。

齒輪箱受力發生突然反向，齒輪箱內部的齒輪必然發生了受力接觸齒面的變更，即由一側齒面接觸變更為另一側齒面接觸。因該齒輪箱的齒輪均為斜齒，必然也導致了齒輪軸的軸向力發生反向。

當高速軸的軸向力發生反向時，該齒輪軸上的軸承受力情況也隨之發生了突變，即上風向軸承由非主要承載狀態突然變為承載狀態，而此時系統及軸承都還在高速旋轉（1400rpm），且運行時間不久，尚無達到溫度平衡狀態，因此，該高速軸的這對軸承游隙仍未正值，即存在一定的軸向間隙。對上風向軸承而言，在受力發生變更前，其滾子、保持架處于空轉狀態（非主要承載狀態），軸承的滾子與內外圈滾道沒有完全接觸；在受力狀態突然發生反向時，其滾子、保持架將在高轉速情況下突然與軸承的內外圈完全接觸并受載，變為承載狀態，同時，又由于軸承存在正游隙，其必將發生軸向的竄動，滾子、保持架存在無法復位或復位不良的可能，并可能產生滾道或滾子的損傷，進而引起軸承的旋轉不穩及異常摩擦，引起軸承迅速發熱，最終導致軸承溫度過高，使滾子、保持架相互咬合，引發故障。

故障分析結論及思考

通過對故障原因的分析，可基本認定導致該起高速軸故障的最大可能就是試驗過程中的電機啟動順序變更導致的高速軸受力方向發生突然反向。該過程引發了軸承受損，并最終導致了故障的發生。

風電齒輪箱作為一個重要的傳動部件，其設計經過了嚴格的計算，為防止其受到沖擊時損壞而預留了較大的安全裕度，當其受力突然反向時，即使沖擊力不大，還是造成了如此大的損傷，有些讓人難以接受。然而，科學的分析又讓我們不得不承認，如果是不當操作，哪怕很小，后果都可能極其嚴重。

既然齒輪箱受力突然反向可引發如此嚴重的后果，由此聯想到了風電齒輪箱的整個試驗過程及使用過程，是否還存在類似的操作或隱患，應該如何預防，需要引起大家的足夠重視。

一、本文所提試驗過程的電機啟動順序變更

分析過程不再累述。如何預防？

方法一，禁止電機的啟動順序變更。這是最直接、最簡單的方法，投入也最小。但還是存在一定的安全隱患，比如誤操作，且限制了試驗臺的靈活性，無法隨意調整主陪試齒輪箱。建議通過完善硬件或軟件的方式，設置防誤操作的功能，徹底杜絕該類問題的發生。

方法二，改變系統結構，取消拖動電機，直接由電機二進行連接，此時，無論用電機一還是電機二拖動，另一只電機只需加載即可，不會再出現齒輪箱受力反向的情況。該方法比較徹底，效果最好。

二、調試或應用以及運轉過程中制動盤制動

由于系統傳動鏈較長，受系統剛度及齒輪側隙等影響，在高速軸被抱死停止轉動之后的一段時間內，將會出現葉輪及齒輪箱內的整個傳動鏈發生劇烈的正反向沖擊，該過程必然會伴隨多次齒輪、軸承的正反向受力變化，對齒輪、尤其是軸承將造成極大的損傷。

預防措施一，在運轉過程中，尤其是在高速狀態下，要禁止直接進行制動盤制動。該方式也比較直接，但靈活性較差。

預防措施二，通過軟硬件的方式，設定制動策略，禁止將齒輪箱一次性制動至靜止狀態，而是要在齒輪箱轉速降低至很低時，在高速軸靜止前再將制動盤釋放，由齒輪箱自由停機，杜絕出現齒輪箱受力突然反向的情況。該方式實現

過程較為繁瑣，成本較高，但最有效果，可完全規避緊急制動對齒輪箱造成的傷害，取消風電齒輪箱對緊急制動次數的限制。

三、風輪鎖銷未完全鎖緊狀態下的停機

由于風輪鎖銷未完全鎖緊，風輪仍可在小范圍內進行輕微轉動，在風力的作用下，風輪將與風輪鎖銷發生撞擊、回彈。由于風電齒輪箱的傳動比較大，風輪的輕微轉動，將導致后部輪系的大角度轉動，風輪的撞擊、回彈，導致輪系的頻繁正反向旋轉，也必然導致軸承頻繁的受力突然反向，對軸承造成較大的損傷。

預防措施，就是如果需要鎖上風輪鎖銷，則務必將其完全鎖緊，防止風輪出現輕微的轉動。

結語

風電齒輪箱，作為風電機組中的重要傳動部件，與其內部的軸承、齒輪等重要傳動零件，對使用工況、操作步驟及所處的狀態都有極高的要求。本文通過對一起高速軸應用故障展開分析，發現引起該故障的原因，僅僅是因為認識上的一個錯誤而導致的應用不當。由此展開類比分析，發現類似的應用不當，還存在于多種場合，需要引起同行的足夠注意。

由于齒輪箱受力的突然反向，對齒輪尤其是軸承的傷害極大，同時，因該傷害發生在齒輪箱的內部，不易察覺，往往會被忽視，而一旦傷害達到一定程度被發覺時，往往已造成了較大的損失。因此，需要同行在應用過程中，嚴格按照操作規程進行操作，同時，對各類故障進行認真分析，找到引起故障的根源，并做到舉一反三，查找是否還存在其他類似的潛在故障，進行有針對性地改進及預防，消除潛在隱患，提高系統整體的應用安全性及可靠性。

（作者單位：王志勇，黎康康，符嘉靖：中戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司；閆鑫：中車戚墅堰機車有限公司）