海上風(fēng)電齒輪箱故障精細(xì)化管理初探

文 | 施惠慶，劉碧燕

海上風(fēng)電齒輪箱故障精細(xì)化管理初探

文 | 施惠慶，劉碧燕

齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈中的核心部件，是風(fēng)電機(jī)組重要的部件之一，對(duì)整機(jī)的安全、高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，必須正確使用和維護(hù)，以延長使用壽命。齒輪油良好的潤滑性能能夠?qū)X輪和軸承起到足夠保護(hù)作用，是齒輪箱持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的保證；反之，將造成齒面點(diǎn)蝕、膠合、磨損和軸承的損壞。

目前風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用普遍的三級(jí)齒輪箱，在近二十年時(shí)間里質(zhì)量已實(shí)現(xiàn)巨大跨越，但齒輪箱故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間仍是最長的。齒輪箱故障精細(xì)化管理很有必要。

齒輪箱工作原理、常見故障及油品監(jiān)測(cè)

一、齒輪箱工作原理

齒輪箱采用行星－平行軸混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。低速級(jí)轉(zhuǎn)速低、扭矩大，采用行星傳動(dòng)，以太陽輪浮動(dòng)均載為主；第二、三級(jí)扭矩小得多，采用斜齒傳動(dòng)，能有效保證葉尖高壓油通道。齒輪油潤滑系統(tǒng)由供油裝置、油/風(fēng)冷卻裝置及中間連接膠管組成。

齒輪箱與相聯(lián)接部分須可靠緊固、軸線同心；轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；齒面接觸狀態(tài)正常；潤滑良好。運(yùn)行應(yīng)平穩(wěn)，無振動(dòng)或異常噪音；無滲漏，無松動(dòng)；油溫、軸承間溫差正常。應(yīng)定期檢測(cè)和更換齒輪油。

二、齒輪箱常見故障及油品監(jiān)測(cè)的重要性

齒輪箱故障，多為軸承、供油系統(tǒng)、密封及齒輪的失效。齒輪失效多為齒面損壞，從微點(diǎn)蝕擴(kuò)大到剝落、磨損。供油系統(tǒng)故障，齒面油膜減少、熱量增加，導(dǎo)致點(diǎn)蝕、膠合、磨損和軸承損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)：斷齒和點(diǎn)蝕是齒輪故障的主要方式，各占41%、31%，磨損、其他各占10%、8%。齒輪箱故障原因中，設(shè)計(jì)、制造、材料占40%；維護(hù)、操作占43%；其他占17%。

齒輪斷齒、磨損、點(diǎn)蝕軸承及齒輪箱變形等故障，都可能導(dǎo)致聲音異常、振動(dòng)增大、溫升過高、漏油、能耗增大。齒輪油監(jiān)測(cè)是重要的早期故障診斷方法之一。

齒輪油溫高，可能導(dǎo)致散熱系統(tǒng)不正常，需檢查異聲、齒面、軸承、取油送檢，分析油中的金屬成分、雜質(zhì)來源、頻譜分析，更換油品；齒輪油壓力低，可能油泵工作不穩(wěn)定，油溫、粘度異常，機(jī)組滿負(fù)荷，壓力開關(guān)老化；齒輪油位低，可能管路滲漏，油溫高；齒輪油泵過載，可能北方冬季長時(shí)間停機(jī)、粘度大；油封老化。

海上風(fēng)電場齒輪油配置、分析項(xiàng)目及判斷標(biāo)準(zhǔn)

一、海上風(fēng)電場齒輪油配置

目前風(fēng)電齒輪油多為美孚SHC XMP 320、嘉實(shí)多X320或A320、殼牌HD320或Omala S4 GX320、福斯CLP320。海上龍?jiān)达L(fēng)電場目前有155臺(tái)機(jī)組，其中雙饋機(jī)組115臺(tái)，本文將分析投運(yùn)3年以上的52臺(tái)雙饋機(jī)組。由于主機(jī)廠家多，齒輪油選用較多，涵蓋了三種型號(hào)：美孚SHC XMP 320、嘉實(shí)多X320、殼牌HD320。

圖1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)原理圖

二、風(fēng)電齒輪油檢測(cè)、分析項(xiàng)目及控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)電齒輪油檢測(cè)，目前多采用人工取樣檢測(cè)，檢測(cè)周期為6個(gè)月。

齒輪油分析項(xiàng)目包括：外觀、運(yùn)動(dòng)粘度、酸值、水分含量、添加劑含量、磨損元素（鐵、銅、鋁）、清潔度、分析鐵譜、氧化指數(shù)、PQ指數(shù)。指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，以Shell HD320為例，如表1所示。

不同品牌齒輪油，判斷標(biāo)準(zhǔn)不同的主要是水分、酸值和氧化值。嘉實(shí)多的水分、酸值比其他油品高；氧化值的控制指標(biāo)也各不相同，如表2所示。

海上風(fēng)電場齒輪箱及齒輪油運(yùn)行現(xiàn)狀

一、歷年齒輪箱故障及更換記錄

海上龍?jiān)慈鐤|風(fēng)電投運(yùn)4年以上的雙饋機(jī)組52臺(tái)，其中試驗(yàn)風(fēng)電場14臺(tái)，示范風(fēng)電場38臺(tái)。2011年－2016年期間齒輪箱故障次數(shù)，試驗(yàn)風(fēng)電場共計(jì)133臺(tái)次，臺(tái)均1.5次/年/臺(tái)；示范風(fēng)電場共計(jì)118臺(tái)次，年臺(tái)均故障次數(shù)0.5次/年/臺(tái)，如表3所示。

圖2 齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比（試驗(yàn)風(fēng)電場4臺(tái)）

圖3 齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比（示范風(fēng)電場5臺(tái)）

（一）齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比分析

歷年更換齒輪箱9臺(tái)，其中試驗(yàn)風(fēng)電場4臺(tái)、示范風(fēng)電場5臺(tái)。這9臺(tái)齒輪箱的更換記錄、更換前后的故障次數(shù)及占比，按試驗(yàn)風(fēng)電場、示范風(fēng)電場分開比較，如圖2、圖3、表3、表4所示。

由圖2、表3可見：H14機(jī)組，2011年更換齒輪箱后，故障率降低，2015、2016年故障又劇增。因此需要高度重視，及時(shí)維護(hù)或者更換。

H07、H08機(jī)組，2011、2013年故障較多，2013年更換齒輪箱后，運(yùn)行趨于平穩(wěn)。

H16機(jī)組，2015年故障較多，2015年更換齒輪箱后，無明顯改善。需進(jìn)行有效檢查、分析，找到根本原因，進(jìn)行維護(hù)。

表1 Shell HD320風(fēng)電齒輪油指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 不同品牌齒輪油判斷標(biāo)準(zhǔn)比較

表3 試驗(yàn)風(fēng)電場歷年齒輪箱更換記錄

由圖3、表4可見：E35、F46、F50機(jī)組，齒輪箱故障次數(shù)，均在2014年達(dá)到最高值，更換齒輪箱后，未出現(xiàn)齒輪箱故障。

C19機(jī)組，2013年故障次數(shù)最高，2015年1月、7月共3次齒輪箱故障，2015年8月更換齒輪箱后，未出現(xiàn)故障；

D29機(jī)組，在2015年故障次數(shù)最高，2、3月份累計(jì)故障次數(shù)12次，7月更換齒輪箱后，未出現(xiàn)齒輪箱故障。

（二）齒輪箱故障與齒輪箱更換對(duì)應(yīng)情況

比較發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)風(fēng)電場齒輪箱更換的4臺(tái)機(jī)位，有2臺(tái)在歷年故障前5名，對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。表5 為試驗(yàn)風(fēng)電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對(duì)應(yīng)表。

示范風(fēng)電場齒輪箱更換的5臺(tái)機(jī)位，有4臺(tái)在歷年故障前5名，對(duì)應(yīng)率達(dá)到80%。表6 為示范風(fēng)電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對(duì)應(yīng)表。

二、海上風(fēng)電場歷年齒輪油檢測(cè)、換油記錄

（一）試驗(yàn)風(fēng)電場

運(yùn)行3年的齒輪油檢測(cè)結(jié)果如下：警告10次，涉及機(jī)位6臺(tái)，占比42.9%；異常3次，涉及機(jī)位3臺(tái)，占比21.4%。運(yùn)行5年后，警告33次，涉及機(jī)位13臺(tái)，占比92.9%；異常10次，涉及機(jī)位6臺(tái)，占比42.9%。

（二）示范風(fēng)電場

運(yùn)行3年的齒輪油檢測(cè)結(jié)果如下：警告45次，涉及機(jī)位17臺(tái)，占比44.7%；異常4次，涉及機(jī)位3臺(tái)，占比7.9%。運(yùn)行5年后，警告54次、涉及機(jī)位18臺(tái)，異常7次、涉及機(jī)位5臺(tái)。

試驗(yàn)風(fēng)電場14臺(tái)參與比較機(jī)組中，歷年更換齒輪油機(jī)位有6臺(tái)，占比42.9%；示范風(fēng)電場38臺(tái)雙饋機(jī)組中，歷年更換齒輪油機(jī)位有8臺(tái)，占比21.1%。

以C19為例，2013年齒輪油取樣送檢3次，磨損指數(shù)明顯升高，檢測(cè)結(jié)論“報(bào)警”，鐵譜分析報(bào)告潤滑與磨損綜合狀態(tài)“警告”；2014年鐵譜分析顯示磨損嚴(yán)重，綜合狀態(tài)“嚴(yán)重”，2015年換齒輪箱。

D29，2013年7月PQ指數(shù)升高、樣品底部可見鐵屑，鐵譜分析報(bào)告有少量正常磨粒，潤滑與磨損綜合狀態(tài)“警告”。2014年，在用油中磨損鐵元素含量和鐵磁顆粒含量均超標(biāo)，鐵譜分析報(bào)告顯示少量磨損顆粒。

表7、表8可見：對(duì)于齒輪油檢測(cè)警告、異常機(jī)組，一半以上可以通過及時(shí)更換齒輪油、改善齒輪箱潤滑情況得以緩解和解決，避免故障擴(kuò)大。

更換齒輪箱的9臺(tái)中，齒輪油檢測(cè)出5臺(tái)，查出率55.6%。

表4 海上風(fēng)電場歷年齒輪箱更換記錄

表5 試驗(yàn)風(fēng)電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對(duì)應(yīng)表

表6 示范風(fēng)電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對(duì)應(yīng)表

三、海上風(fēng)電場歷年齒輪箱振動(dòng)檢測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查記錄

（一） 振動(dòng)檢測(cè)

2014年－2015年，對(duì)試驗(yàn)風(fēng)電場14臺(tái)雙饋機(jī)組分別進(jìn)行齒輪箱離線、在線振動(dòng)檢測(cè)。查出軸承故障5臺(tái)，輪齒損傷8臺(tái)，其中3臺(tái)建議及時(shí)維護(hù)或更換，如表9所示。

示范風(fēng)電場離線振動(dòng)檢測(cè)，查出：D29軸承早期磨損，C17高速軸齒輪齒面點(diǎn)蝕磨損。

試驗(yàn)風(fēng)電場在線監(jiān)測(cè)，查出：1臺(tái)高速端軸承損傷（H15）；2臺(tái)中、高速端輪齒損傷（H07、H08）；2臺(tái)齒圈或行星輪系損傷（H05、H06），1臺(tái)二級(jí)行星輪系損傷（H16）。

示范風(fēng)電場在線監(jiān)測(cè)，查出：3臺(tái)（E35、F46、F50）振動(dòng)異常，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)齒輪箱本體有微裂紋，確定更換齒輪箱。

更換齒輪箱的9臺(tái)中，離線振動(dòng)檢測(cè)出4臺(tái)，查出率44.4%；在線振動(dòng)檢測(cè)出6臺(tái)，查出率66.7%。

（二）內(nèi)窺鏡檢查

對(duì)振動(dòng)檢測(cè)有問題的機(jī)位，進(jìn)一步進(jìn)行齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查。

試驗(yàn)風(fēng)電場，查出軸承、齒輪均有問題的7臺(tái)，包括更換齒輪箱的3臺(tái)（H14、H07、H08）；軸承問題的1臺(tái)，齒輪問題的3臺(tái)。軸承故障內(nèi)容，主要包括：壓痕、點(diǎn)蝕、磨損、鐵屑、劃傷；齒輪故障內(nèi)容，主要包括：劃痕、磨損、點(diǎn)蝕、剝落、灰變、停車痕、壓痕、銹跡。檢查后建議：加強(qiáng)軸溫、油溫監(jiān)測(cè)，內(nèi)窺鏡檢查，返廠維修，更換齒輪箱。

示范風(fēng)電場，檢查4臺(tái)機(jī)位，查出齒輪問題3臺(tái)，包括更換齒輪箱的1臺(tái)（D29）。

更換齒輪箱的9臺(tái)中，內(nèi)窺鏡查出4臺(tái)，查出率44.4%。

綜上所述，齒輪油檢測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查的報(bào)警機(jī)位與齒輪箱更換機(jī)位的對(duì)應(yīng)率分別為55.6%、66.7%、44.4%，加上互補(bǔ)區(qū)域，故障診斷率高達(dá)88.9%。綜合分析對(duì)故障的早期預(yù)判和診斷顯示其優(yōu)越性和重要性。

齒輪箱故障精細(xì)化管理建議方向

一、加強(qiáng)齒輪箱日常維護(hù)

齒輪箱運(yùn)行中的日常維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括在持續(xù)大風(fēng)、登機(jī)巡視、離開機(jī)艙前檢查。檢查內(nèi)容：外觀、噪音、油位、滲漏、異聲，濾芯、電氣接線。監(jiān)控指標(biāo)：同心度、振動(dòng)、油溫、軸溫、齒輪泵出口壓力、油質(zhì)，油溫低于零度時(shí)開啟加熱；突然升溫時(shí)，及時(shí)查詢和處理，避免故障擴(kuò)大；檢修時(shí)，盡量避免采用緊急制動(dòng)，降低沖擊。

作為風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警的有效技術(shù)手段之一的齒輪油液監(jiān)測(cè)，也需重視出質(zhì)保驗(yàn)收、新油驗(yàn)收、按質(zhì)換油等管理環(huán)節(jié)，運(yùn)行中加強(qiáng)跟蹤油位、油品指標(biāo)。

二、建立、健全故障及維護(hù)臺(tái)賬，綜合分析、及時(shí)處理

包括：齒輪箱安裝、調(diào)試、故障臺(tái)賬，齒輪油檢測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查臺(tái)賬，齒輪油、齒輪箱更換臺(tái)賬等。

要重視齒輪油、振動(dòng)、內(nèi)窺鏡等所有監(jiān)檢測(cè)報(bào)警，全面、綜合分析監(jiān)檢測(cè)報(bào)警信息，力爭做到準(zhǔn)確判斷、快速反應(yīng)、及時(shí)處理。

三、運(yùn)用現(xiàn)代化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)分析、管理

在齒輪油液監(jiān)測(cè)中，目前以人工取樣檢測(cè)模式為主，可分次轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€監(jiān)測(cè)模式，則可有效解決海上風(fēng)電取樣周期長、通達(dá)性差、監(jiān)測(cè)滯后、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題的狀態(tài)。齒輪油在線監(jiān)測(cè)、齒輪箱磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，是齒輪箱故障精細(xì)化管理的技術(shù)發(fā)展方向。

隨著科技發(fā)展，齒輪油監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)這兩種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的常用技術(shù)手段，也可聯(lián)合應(yīng)用于風(fēng)電齒輪箱故障預(yù)警管理系統(tǒng)。齒輪油監(jiān)測(cè)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)都在國內(nèi)風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，兩者相結(jié)合，更利于綜合分析、預(yù)判風(fēng)電齒輪箱故障。

表7 歷年齒輪油檢測(cè)警告、異常機(jī)組

表8 歷年鐵譜分析報(bào)告警告、異常匯總

表9 試驗(yàn)風(fēng)電場離線振動(dòng)檢測(cè)報(bào)警位置統(tǒng)計(jì)（2014年－2015年）

結(jié)論

綜上所述，為了保證齒輪箱的潤滑性能、確保機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行，必須做到以下幾點(diǎn)：

（一）加強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的日常檢查、維護(hù)和管理。建立、健全設(shè)備故障及維護(hù)檔案。

（二）充分重視齒輪油檢測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、內(nèi)窺鏡檢測(cè)中的報(bào)警、異常，將齒輪油監(jiān)測(cè)和振動(dòng)檢測(cè)、內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果相結(jié)合，綜合判斷齒輪箱運(yùn)行、磨損狀況。

（三）需利用現(xiàn)代化科技技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，開發(fā)出對(duì)齒輪箱運(yùn)行中特征數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、及時(shí)監(jiān)測(cè)，科學(xué)、有效分析，準(zhǔn)確評(píng)估、處理的專家診斷功能，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（作者單位：江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司）