雙饋式風電機組齒輪箱分析

熊永強

摘要：隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，對于能源資源的消耗和需求也在持續(xù)增加，只會導致全球資源日益枯竭，而且對生態(tài)環(huán)境也會造成不同程度的破壞，為此必須要開發(fā)綠色可再生的新能源并已經(jīng)引起各個國家的重視，目前已開發(fā)的新能源包括水能，風能太陽能、潮汐能等。其中風能具有可再生環(huán)保且成本較低的優(yōu)勢，具有非常廣闊的發(fā)展前景，而且在我國的發(fā)展也非常迅速，風力發(fā)電機組中齒輪箱作為最重要的傳動部件，如果一旦發(fā)生故障，其維修成本很高，不僅會導致風力發(fā)動機組運行受到影響，而且也會對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成沖擊，造成很高的經(jīng)濟損失。

關鍵詞：雙饋式；風電機組；齒輪箱

雙饋式風力發(fā)電機組齒輪箱的傳動功率非常廣泛，而且精度高，傳遞效率更加具有非常良好的使用性能，但是在實際應用的過程中，其自身的加工及裝配精度要求高，而且整體的設備成本高，故障后造成風機無法正常發(fā)電，維修價格高，所以必須要加強對雙饋式風力發(fā)電機組齒輪箱進行深入的研究。為此必須要針對風力發(fā)電齒輪箱的運行特征進行實時分析，總結其振動及噪音規(guī)律并且加強對故障的根本原因進行判斷，才能夠更好的提高風力齒輪箱的運行時長，增加其經(jīng)濟效益。

一、齒輪箱

風電齒輪箱就是將葉片轉(zhuǎn)動過程中吸收的風能轉(zhuǎn)變成電能的關鍵零部件，更是風力發(fā)電機組的核心部件，由于大多數(shù)的風力發(fā)電機組通常建設在戈壁，沿海，高原及海上等惡劣環(huán)境。在長時間運行的過程中，齒輪箱容易產(chǎn)生各種故障，而且維修非常困難，成本高，周期長，不僅會導致社會的經(jīng)濟效益受損，如果沒有能夠及時的對齒輪箱故障進行解決，也很容易導致風力發(fā)電機組其它零部件的使用性能造成嚴重破壞，所以為了能夠進一步提高風力發(fā)電機組齒輪箱的可靠性和穩(wěn)定性，必須要對齒輪箱的動態(tài)特征進行深入的分析，明確齒輪箱在不同工況和風況的作用下，其自身的受力情況以及振動和噪音機理等問題，確保對齒輪軸承等動態(tài)應力的研究效果得到有效加強。

二、風力發(fā)電機機組建模

風力發(fā)電機包括葉輪，主軸，齒輪箱，發(fā)電機，機艙和塔筒等部分，所以在建模的過程中必須要對這些部分進行全面的劃分，并且制定相應的參數(shù)轉(zhuǎn)化模型，確保所有的部件都能夠在模型中有效建模，在主軸部分，可以設置輪轂葉片和主軸兩部分，其中主軸主要利用雙軸承支撐的標準頭型，而兩軸承可以起到承受有效的非轉(zhuǎn)矩荷載，保證只傳遞給齒輪箱扭矩，其它葉片彎矩可以通過主軸承傳遞給機艙架。

風力發(fā)電機控制的主要方式不同，但是在雙饋風力發(fā)電機組中主要的控制方式為變速型風力發(fā)電機，可以通過發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和葉片變槳的方法來維持風力發(fā)電機的恒功率運行。在風力發(fā)電機組中，其主要的控制曲線包括低于切入風速時，發(fā)電機脫網(wǎng)，葉片的輸入轉(zhuǎn)矩為0，這時的風機空轉(zhuǎn)，但是不能夠發(fā)電。

還有種工況低于額定轉(zhuǎn)速運行，由于風機的夜間述要獲得最大功率，所以發(fā)電機轉(zhuǎn)距也能夠通過功率系數(shù)曲線以及最優(yōu)模型爭議來進行控制，這樣能夠保證風機獲得最大的風能，部分機型還對其噪音進行控制。第三種工況為高出額定轉(zhuǎn)速的工況，由于風力的不斷加大，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)矩也在不斷的變化，這樣也能夠減少風能來保證風機的安全運轉(zhuǎn)。

三、風電機組齒輪箱產(chǎn)生的故障和原因

（一）齒輪故障

風電機組齒輪箱產(chǎn)生的故障損傷包括齒輪齒面斷裂，齒面點蝕，齒根折斷，膠和或磨損等問題，這些不同的故障都會導致齒輪運轉(zhuǎn)受到影響，嚴重的情況下還會出現(xiàn)較多輪齒折斷等情況，齒輪損傷的主要原因在于在長時間運轉(zhuǎn)的過程中，由于沒有及時的進行養(yǎng)護，所以導致齒輪潤滑油失效，潤滑效果不理想，另外也有可能因為齒輪變形摩擦力增大，而導致區(qū)域內(nèi)的溫度升高，造成潤滑油膜太薄等情況。在輪齒表面出現(xiàn)磨損的過程中，可能是因為潤滑油失效，潤滑不良，或者是各種雜物進入到內(nèi)部而導致齒輪磨損。

（二）軸承損壞

在風電機組齒輪箱運行的過程中，軸承是最重要的組成部分如果沒能夠?qū)S承進行適當?shù)谋ｐB(yǎng)很容易導致軸承的故障幾率明顯上升，尤其是在齒輪箱運行的過程中，由于軸承型號選擇不當，軸承間隙及配合選擇不合理，安裝出現(xiàn)問題，潤滑油牌號不對，長期未更換等都有可能造成軸承運行失效，例如在軸承中滾道點蝕或者產(chǎn)生裂紋，其主要的原因在于軸承間隙選擇不當，油壓比較低，油液位置設置不當，潤滑油含水量高等原因。

（三）齒輪箱滲油

齒輪箱在運轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)滲油問題，則很有可能是因為齒輪箱的密封結構設計不到位或回油孔太小，回油效果不理想，造成潤滑油局部液位高而產(chǎn)生漏油，另外在管接頭處如果沒有擰緊或者出現(xiàn)松動等情況，也有可能導致管接頭螺紋密封效果不理想，造成管接頭滲油情況。另外磨損也會造成顆粒雜物涌入到油管之中，甚至會造成供油壓力高或齒輪回油道堵塞而造成油滲漏問題。

（四）齒輪箱異常響動過大

在齒輪箱不斷運行的過程中，如果因為較高的振動而引發(fā)的異響或振動值同比增加較多，必須要進行及時的處理，因為振動問題產(chǎn)生的原因非常復雜，可能是因為齒輪件和箱體之間因為加工精度不高而造成零部件之間存在比較大的傳遞誤差，或者是箱體的強度剛度不足，也會造成齒輪副之間出現(xiàn)異常變形，另外齒輪或軸承也會因為摩擦受損或強度不夠而造成疲勞點蝕，導致齒輪嚙合產(chǎn)生異常振動值。

四、風電齒輪箱設計和運行維護的主要策略

在齒輪箱設計的過程中，必須要保證齒輪件和箱體的加工精度及選擇合適的潤滑油，由于精度的提高的同時可以盡可能的減少表面粗糙程度，這樣就能夠降低齒輪件之間的摩擦力，也能夠延長整個齒輪運行的整體效果，所以在齒輪箱生產(chǎn)制造的過程中，必須要通過現(xiàn)有的高科技手段及設備對整個齒輪件的磨削和生產(chǎn)進行全面的控制，保證高精度的生產(chǎn)效果和生產(chǎn)質(zhì)量，另外也要提高齒輪件齒面的加工精度，通過利用先進的技術和軟件，并結合使用經(jīng)驗對齒面的修形進行優(yōu)化，避免齒輪在傳動的過程中出現(xiàn)異常接觸，增加傳動平穩(wěn)性，降低傳遞誤差。其次，在齒輪箱設計優(yōu)化的過程中，最主要的就是保證齒輪箱行星級部分能夠得到合理的優(yōu)化，因為行星輪系不可拆卸，維修難度大且成本高，所以很容易導致維修不及時。對于平行級，在設計的過程中必須要保證高速軸能夠在不下架的情況下，塔上進行拆卸，而且在后續(xù)產(chǎn)品維修和拆卸的過程中也可以對整個平行軸系進行進一步的優(yōu)化，確保包括高速軸的的平行軸系拆卸條件得到有效增強，除了平行級可拆卸的條件進行設計優(yōu)化之外，還要盡可能對整個齒輪箱的其它零部件模塊化設計，如因為螺栓質(zhì)量或裝配問題而造成齒輪箱箱體或齒圈出現(xiàn)斷裂的情況，也需要及時的進行更換，否則很容易導致齒輪箱的正常運行受到影響，甚至下架維修。

結論：

本文通過對雙饋型風力發(fā)電機用齒輪箱進行深入的分析，并總結了風力發(fā)電機齒輪箱的運行特點，研究了風力發(fā)電機機組模型的構建。通過對風力發(fā)電機齒輪箱常見的故障進行分析，提出相應的解決優(yōu)化策略，能夠提高風力發(fā)電機齒輪箱的可靠性及降低維修時間，確保風力發(fā)電機組的健康安全運行，為生產(chǎn)與生活提供高質(zhì)量的清潔能源，促進我國可再生能源的可持續(xù)健康發(fā)展。

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（作者單位：南京高速齒輪制造有限公司）