長期鎖止狀態(tài)對風電增速器危害的研究*

文 | 汝學斌

長期鎖止狀態(tài)對風電增速器危害的研究*

文 | 汝學斌

風電增速器常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，自然環(huán)境惡劣，交通不便，修復困難，且故障期一般出現(xiàn)在發(fā)電的高峰期，增速箱一旦出現(xiàn)故障，維修周期長，嚴重影響其經(jīng)濟效益。因此，如何保證風電增速器20年的運行壽命，如何使風電增速器安全、可靠、高效運行，一直是風電相關技術領域研究的一個重要課題。風電增速器工作性能的提升，不僅需要從設計、制造方面不斷改進，同時也需要從產(chǎn)品的安裝、使用及維護方面予以充分的重視。

在風電增速器處于長期調(diào)試、長時間停機和風電場限發(fā)等期間，通常將增速器通過剎車裝置使其處于長期鎖止狀態(tài)。經(jīng)長期調(diào)試后開始運行的部分增速器在齒輪嚙合時，風電場運維人員經(jīng)常能清楚地聽到發(fā)出異常嚙合沖擊的聲音，這給運維人員判斷風電設備繼續(xù)運行與否造成了極大的困擾，而且這種現(xiàn)象在頻繁停機限電的風電場也時有發(fā)生。為此，本文對這種異常嚙合沖擊聲音產(chǎn)生的原因、影響運行的程度、存在的風險及解決方法進行了較為深入的研究。

增速齒輪箱異常現(xiàn)象

一、齒面微電解腐蝕現(xiàn)象

某風電場風電機組從安裝到全部調(diào)試工作完成時間為半年，期間一直用發(fā)電機的高速抱閘剎車裝置將電機軸抱死。并網(wǎng)運行初期發(fā)現(xiàn)增速器有異常的響聲，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)增速器的箱體上有水流過的痕跡，經(jīng)開箱查看，發(fā)現(xiàn)多級齒面上有與嚙合痕跡相吻合的黑線。

圖1 各級振動的時域分析圖

圖2 高速軸振動的頻域分析圖

用振動狀態(tài)監(jiān)測儀對未滿發(fā)電工作狀態(tài)進行跟蹤，捕捉到了明顯的沖擊信號。對四個測振點(前兩個為軸向、后兩個為徑向) 進行時域分析，都出現(xiàn)明顯的振動峰值，其振動值均遠遠超過出廠的振動指標，如圖1所示；振動頻域分析包絡圖是在進入到并網(wǎng)風速(1050r/min)時所測得的數(shù)據(jù)，如圖2所示。該機型滿發(fā)時的電機工作轉(zhuǎn)速為1750r/min，該圖對應的17.480Hz及其倍頻，振動峰值達到A=41.26m/s2，超過4g的加速度值，屬于嚴重的異常振動。

用內(nèi)窺鏡細查，此現(xiàn)象不僅發(fā)生在該增速器的高速級嚙合齒面上，在箱體的多級齒面上也存在類似的黑線。

二、齒面微動點蝕現(xiàn)象

限發(fā)期間采用高速抱閘剎車裝置將電機軸抱死，發(fā)現(xiàn)增速箱高速級齒面的工作面上有一定深度的嚙合痕跡線，表面有輕微的發(fā)黑痕跡，但嚙合線的邊界非刀刻般地整齊，邊界有壓潰的現(xiàn)象。用振動狀態(tài)監(jiān)測儀對運行狀況進行跟蹤，捕捉到與圖1、圖2類似的明顯的沖擊信號，超過2g的加速度值，屬于嚴重的異常振動。

三、軸承微電解腐蝕現(xiàn)象

在經(jīng)常限發(fā)或長時間停機的風電場，發(fā)現(xiàn)增速器內(nèi)的個別軸承有輕微的銹蝕痕跡，在軸承內(nèi)外圈滾道上出現(xiàn)與滾動體等間距的沿軸向分布的雙眼皮狀印痕，即微電解腐蝕的現(xiàn)象，如圖3所示；對滾動體的微電解腐蝕痕跡放大100倍后，可見紅色和黑色的銹蝕痕跡已侵入到軸承的母材內(nèi)，如圖4所示；對軸承滾道的印痕放大100倍后，也可看到淺黃色的銹蝕痕跡已侵入到軸承套圈的母材內(nèi)，如圖5所示。

如設備在室外長期存放后直接進行裝機，甚至看到有些增速器內(nèi)的軸承外圈端面、滾動體端面上還留存著大量的銹蝕痕跡，比圖3、圖4、圖5所示情況還要嚴重。

產(chǎn)生原因及影響分析

一、微電解腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生原因及影響

（一）軸承微電解腐蝕產(chǎn)生原因及影響分析

圖3 軸承上等滾子間距的微電解腐蝕的現(xiàn)象

圖4 軸承滾動體上微電解腐蝕情況(放大100倍)

圖5 軸承滾道面上微電解腐蝕情況(放大100倍)

圖6 軸承表面產(chǎn)生微電解腐蝕（銹蝕）的原理圖

裝配后長期存放的軸承，雖經(jīng)試車跑合有一定的油膜能起到短期的防護作用，但空氣中的水分會在滾動體與軸承內(nèi)、外圈之間形成的楔形空間內(nèi)積聚，并逐漸滲透到此空間的殘留潤滑油膜內(nèi)，附著在軸承內(nèi)、外圈和滾動體的金屬表面，形成原電池，發(fā)生電解作用，產(chǎn)生[H]+和[OH]-（圖6），并在此溶池內(nèi)進行電解交換，生成FeO和Fe2O3，兩種氧化物從表面沿晶間不斷地向金屬母材內(nèi)發(fā)展，形成可見的銹蝕物，如圖4和圖5所示。氧化物均為脆性物質(zhì)，形成凹坑，沿晶間形成的氧化物可破壞金屬之間的結合強度，最終導致工作受載時銹蝕區(qū)域產(chǎn)生的凹坑無法形成有效承載油膜，周圍的金屬被不斷壓潰形成點蝕，造成快速失效。

（二） 齒面微電解腐蝕產(chǎn)生原因及影響分析

風電場長期未運行并采用輪轂鎖止方式的增速器，雖然齒輪箱上的通氣帽里有干燥劑能防止水分的侵入，但輸入軸和輸出軸為杜絕用橡膠密封產(chǎn)生老化一般都采用機械迷宮密封。晝夜的溫度變化使機艙內(nèi)的空氣穿過機械迷宮滲入增速器內(nèi)部，空氣中的水分在增速器內(nèi)凝結而無法擴散出去。此類增速器因長期靜止不動，齒面嚙合區(qū)的油膜沿齒面流失，箱體內(nèi)部的水分在齒面的接觸區(qū)聚集，最終發(fā)生如軸承類似的微電解腐蝕現(xiàn)象，久之在齒面的嚙合區(qū)位置形成一條較深的黑線狀的凹槽。增速箱再次工作時各齒輪副在凹槽處嚙合造成沖擊，齒面油膜難以建立，最終造成快速點蝕甚至發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

二、齒面微動點蝕產(chǎn)生原因及影響分析

如采用高速軸鎖止的方式，則黑線主要在高速級出現(xiàn)。雖然高速軸被鎖止不動，但齒輪箱各級齒輪嚙合都存在側(cè)隙，在風的作用下，風輪會通過主軸帶動各級齒輪在齒側(cè)隙和軸系發(fā)生彈性變形的范圍內(nèi)做一定的擺動，低速區(qū)因是自由狀態(tài)，擺角較大，各級齒面還能滾動起來，即使處于無油狀態(tài)，也因為載荷低而不會產(chǎn)生點蝕，且水分不易聚集；但高速區(qū)的一二級齒輪，因側(cè)隙很小，幾乎長期靜止，但在前面各級傳動作用下，高速級的齒面則在原處反復搓動，造成本身已無油膜潤滑的齒面反復摩擦而露出新鮮的金屬表面，造成齒面兩側(cè)同上所述出現(xiàn)水分的聚集，因而更易發(fā)生微電解腐蝕。同時腐蝕凹槽的邊界會在干摩擦作用下變得不整齊。

三、解決方法及利弊分析

由前文分析得出，各種異常現(xiàn)象的產(chǎn)生都與齒輪箱處于長期鎖止狀態(tài)有關，產(chǎn)生的危害如齒輪箱的異常振動、齒輪齒面點蝕和斷齒，這些現(xiàn)象的發(fā)生都會減少齒輪箱壽命，造成額外的損失。可見，長期停機期間齒輪箱的維護問題關系到后期齒輪箱的運行狀態(tài)，對齒輪箱壽命能否達到設計要求至關重要。風電增速器由于長期鎖止，產(chǎn)生的危害不可忽視，為排除齒輪箱的異常現(xiàn)象，以下提出幾種解決方法。

（一） 定期潤滑

在長期停機期間，對于采用輪轂鎖止方式的齒輪箱，各級齒輪都處于靜止狀態(tài)。通過定期的潤滑油循環(huán)潤滑，防止齒面嚙合區(qū)和軸承承載區(qū)油膜流失，可避免齒輪箱內(nèi)水分長期聚集在齒輪嚙合區(qū)和軸承滾道上，同時也可避免齒面微動點蝕的產(chǎn)生。

此方法的優(yōu)點是在原有風電系統(tǒng)中不增加其他裝置即可實現(xiàn)，應用范圍廣。缺點是電動潤滑泵需要電力維持，減少了潤滑油使用次數(shù)，增加了額外成本。

（二）調(diào)整槳距低速輕載運轉(zhuǎn)

對于長期限發(fā)或長時間停機的增速器，通過打開鎖止裝置，調(diào)整葉片槳距使增速器低速輕載轉(zhuǎn)動，即使未啟動潤滑泵，也可避免齒輪因長時間停在某固定位置造成的水分聚集和微動點蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

此方法的優(yōu)點是僅通過調(diào)整葉片槳距的方法，達到破壞微電解腐蝕條件的目的，同時也避免了齒面微動點蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，缺點是應用范圍有限，只能應用于變槳距風電系統(tǒng)中。

結論

（1）長期停用或長期處于鎖止狀態(tài)的增速器易發(fā)生水分聚集在箱內(nèi)的情況，并因此在齒面和軸承等部位產(chǎn)生微電解腐蝕現(xiàn)象。高速軸長期處于鎖止狀態(tài)的增速器因風輪頻繁轉(zhuǎn)動而易在高速級的齒面發(fā)生搓動現(xiàn)象，同時產(chǎn)生微動點蝕現(xiàn)象。兩種情況會在齒面留下嚙合黑線和明顯的腐蝕凹槽。

（2）對風電齒輪箱振動狀態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，有黑線的齒輪副在嚙合時有明顯的沖擊振動異常現(xiàn)象，并且產(chǎn)生類似斷齒的特征信號。有黑線的齒輪副長期運行會造成齒面點蝕的快速擴展，最終可能發(fā)生斷齒現(xiàn)象。

（3）對于采用輪轂鎖止方式的增速器，使用潤滑油循環(huán)潤滑的方法，可以抑制齒輪箱內(nèi)部因水分聚集而形成原電池腐蝕齒面現(xiàn)象的發(fā)生，降低齒輪在調(diào)試期間的損傷程度。對于變槳距的風電系統(tǒng)，通過改變?nèi)~片槳距，使增速器低速輕載運轉(zhuǎn)，也可達到相同的目的。

5MW風電齒輪箱聯(lián)合研發(fā)，國家國際科技合作項目 (2011DFB71670)

（作者單位: 太原重工股份有限公司齒輪傳動分公司）