風電機組齒輪箱部件失效故障分析與處理

文 | 周國棟，楊健

近年來，我國風力發電大規模發展，隨著風電機組的大批量裝機投用以及投運時間的不斷累積，各類故障也隨之出現，主齒輪箱故障就是其中一類重要故障。主齒輪箱（下稱“齒輪箱”，本文不討論風電機組偏航、變槳等系統的齒輪箱）是水平軸式雙饋風電機組的一個重要機械部件，是機組主傳動鏈的主要組成部分。隨著齒輪箱技術的發展，齒輪箱的可靠性得到提升，故障頻次有所降低，但仍須停機消除齒輪箱故障，嚴重時甚至需將齒輪箱吊下塔架處理。因吊裝成本高、處理時間長，嚴重影響風電場效益。

齒輪箱有多級平行軸式、一級行星加兩級平行軸式、兩級行星加一級平行軸式、差動行星輪系等多種形式，但均由齒輪、軸承、軸、箱體等基本結構組成。合理分析、準確判斷、妥善處理齒輪箱故障，才能降低風電機組故障停運頻次，縮短處理時間，減少風電場效益損失。當前，國內對故障的處理，尤其是對齒輪箱關鍵部件失效的處理，往往依賴于風電設備制造廠家工程技術人員的經驗和現場判斷，有些處理方案雖然能解決問題，但并不是綜合考慮維修成本和停運時間的最合理方案。本文根據某大型風電場投運近十年來的故障實例，對風電機組齒輪箱部件失效故障進行分析，并提出一些故障處理的思路和建議。

齒輪箱及部件失效故障概況

某風電場一期安裝61臺東方電氣1.5MW風電機組（型號：FD77C），總容量91.5MW，于2009年投入商業運行。該批次機組的齒輪箱由南高齒、重齒、二重三個廠家提供。其中，南高齒、重齒的傳動形式均為一級行星加兩級平行軸，二重的傳動形式為復合行星加一級平行軸。

風電場投運近十年來，風電機組齒輪箱發生最多的故障為滲漏油和軸承溫度高等，而影響較大的故障為重要部件失效。一期項目所用風電機組齒輪箱的重要部件失效故障有39例，包括傳動軸齒面磨損、高速軸齒面裂紋、高速軸磨損、高速軸軸承“走外圈”等。按部件可分為齒輪箱輪齒故障、軸承故障、軸故障及齒輪箱體故障四類。

一、齒輪箱輪齒故障

（一）故障簡析

根據統計，齒輪輪齒的損傷是相對比例最大的失效故障形式。其中，齒面接觸疲勞（作用在齒面上的接觸應力超過材料的疲勞極限而產生）是輪齒損傷的主要失效形式。在齒輪的使用過程中，硬齒面齒輪以疲勞剝落為主，規律可歸納為“點蝕—剝落—斷齒”三個階段。一對齒輪相嚙合時，兩齒面之間在接觸處產生循環變化的接觸應力σ。如果這種接觸應力超過齒面材料的接觸疲勞極限，齒輪工作一定時間以后，在齒面表層內部就會出現微觀的疲勞裂紋。隨著裂紋的蔓延與擴展，齒面金屬表層將產生片狀剝落形成麻坑，即“點蝕”。點蝕會造成齒面承載面積減少，接觸應力迅速增大，不僅加劇齒面的疲勞破壞，同時也破壞了齒面嚙合的正確性，甚至引起相當大的動負荷，直至齒輪齒面大片“剝落”，甚至因“斷齒”而報廢。

圖1 齒輪齒面接觸應力及故障示意圖

除齒輪本身因素外，運行工況與齒輪失效也有較大關系。風電齒輪箱上承受的載荷變化較大，特別是由極限風速或湍流工況引起的系統過載以及由調距或機械制動等引起的瞬時載荷，盡管作用時間短，但對齒輪特別是齒面影響極大，易誘發失效故障。

齒輪箱潤滑油不足或油質不良會造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側隙加大，以至于齒輪因過度減薄導致斷齒。此外，潤滑條件不良會導致齒面間的油膜形成不良，可能導致一個齒面的金屬熔在與之嚙合的另一個齒面上，在齒面上形成垂直于節線的劃痕狀膠合。因此，潤滑條件不佳也是導致齒輪失效的重要因素之一。

（二）故障處理

齒輪輪齒故障一般都不局限于少量齒面，通常只能作更換處理。為了便于安裝和保證配合精度，一般需更換齒輪軸組件，甚至當出現多對齒輪失效故障或齒圈斷裂等嚴重故障時，可能需要更換整組齒輪箱。對于此類故障，要通過運行維護分析，及早發現異常、判斷故障并進行處理，受影響損壞的范圍和程度越小，處理難度越低。可采用內窺鏡等進行深入檢查，確定故障范圍，制定部件更換方案，避免故障處理遺漏。

潤滑油對齒輪的運轉起著關鍵的作用，如潤滑油系統出現故障導致油質劣化、含水、溫度異常等，都有可能對齒輪箱機械部件造成不利影響，甚至直接誘發失效故障。因此，當發生齒輪故障時，應同時關注齒輪箱潤滑油的健康情況。

二、軸承故障

（一）故障簡析

由于安裝不當、潤滑不良、潤滑介質污染和工作環境惡劣等因素，軸承會出現磨損、過載、過熱、腐蝕、疲勞等情況，進而產生點蝕、裂紋、表面剝落等造成失效，最終導致齒輪箱損壞。如在低速輸入端，載荷大且潤滑不利，主軸軸承易發生損壞；而在高速端，由于發電機軸和齒輪箱高速軸連接中易出現角度偏差和徑向偏移，因軸向和徑向擾動力產生的變載荷長時間作用在高速端軸承上，造成軸承損壞。軸承的常見失效方式有磨損、保持架變形、滾珠脫落、電點蝕、腐蝕、壓痕等。

（二）故障處理

軸承失效故障處理一般只需更換故障軸承，但由于往往伴隨軸、齒輪等其他部件故障，需要深入檢查，避免故障處理遺漏。對軸承故障問題，也應當關注齒輪箱潤滑油的情況，上文已提及，這里不再贅述。

三、軸故障

（一）故障簡析

齒輪箱軸系在很多情況下會出現軸不平衡、長期偏載、瞬時沖擊、異常振動等非正常工況，導致軸故障。軸故障主要表現為磨損、彎曲變形和斷裂。其中，軸彎曲故障一般為長時間偏載造成，常出現在輸入端；軸斷裂極少出現，高速軸在故障急停中受到沖擊過大可能發生斷裂；軸磨損是最為常見的故障，在高速軸上較為頻發，主要是由于軸與安裝在軸上的軸承發生相對運動，俗稱軸承“走內圈”。

該風電場一期項目所用的齒輪箱經過5年以上的運行周期，出現機械部件磨損、老化等故障。其中，某型齒輪箱高速軸軸承“走內圈”故障較為頻發，20臺同型號齒輪箱中相繼有8臺出現該故障，均在高速軸輸出端。經解體檢查分析，高速軸軸承“走內圈”的主要原因是軸承并緊螺母上只裝配有一只鎖緊螺栓，在運行中因鎖緊力不夠導致其受振松動。高速軸齒輪為斜齒輪，運行過程產生的一部分軸向力需由高速軸軸承承擔。以軸承內圈為分析對象，受力示意圖如圖2所示。

圖2 軸承內圈受力示意圖

軸承內圈將高速軸的軸向力傳遞到軸承滾珠，軸承內圈受到滾珠的反作用力F、軸的摩擦力f，以及并緊螺母預緊對軸承內圈的摩擦力N三個切向力共同作用，其中F＝f＋N。當切向作用力F一定時，N越小，f越大；當并緊螺母無法鎖緊軸承時，N＝0，F＝f；當F超過最大靜摩擦力fmax時，軸承內圈與軸出現相對軸向位移，產生動摩擦，F的方向會因工況發生變化，軸承內圈也會有反向位移，如此往復會使軸承內圈與軸間產生動摩擦而磨損，因兩者配合過盈量較少，徑向壓力P減小，由于fmax正比于P，磨損逐漸加劇。

同時，由于并緊螺母松動，預緊力消失，軸承穩定性隨之降低，軸承振動增大，磨損加劇。此外，過大的振動和竄動會加劇軸承發熱，軸承內圈受熱膨脹將導致其與軸徑的過盈量進一步減少，配合過盈不足也會加劇軸承與軸的這種動摩擦，最終導致軸承“走內圈”故障。

對風電場所用的8臺故障高速軸進行修復處理。將其余12臺同型號齒輪箱高速軸抽出檢查，對軸承并緊螺母和螺母鎖緊螺栓復緊，并再加裝一根鎖緊螺栓，防止并緊螺母松動。修復高速軸時，也全部按此措施處理。

（二）故障處理方法

1.一般處理方法

對于軸磨損故障，如早期發現，軸磨損程度較輕，一般單側磨損量不大于0.3mm，可采用涂鍍工藝修復（工藝成熟，修復效果也較為可靠）。但當磨損到一定程度，因成本上升且鍍層易脫落，涂鍍工藝不再適用，只能采用其他方式進行修復，如采用焊補后機加工處理。

傳統的焊補由于熱輸入量大，軸易發生變形，整軸加工精度遭到破壞，即使合理控制工藝，盡可能避免發生變形，焊接熱應力集中的問題仍然難以避免，運行中在軸的焊接熱影響區易再次出現故障，甚至誘發斷軸。從齒輪箱整體的安全可靠性考慮，齒輪箱廠家一般建議更換新軸組件，但費用也較高。

2.激光熔覆處理技術

激光熔覆技術是激光在機械加工領域的主要應用之一。它是利用大功率、高能量激光束聚焦能量極高的特點，瞬間將被加工件表面金屬微熔，同時使零件表面預置或同步自動送置的合金粉劑完全熔化。激光束掃描后合金快速凝固，獲得與零件基體完全冶金結合的致密熔覆層。與其他傳統加工技術相比，激光熔覆技術應用在修復齒輪箱高速軸磨損時，有以下幾個優點：

（1）熔覆過程中熱輸入量低，高速軸不會變形；

（2）激光熔覆時產生的不良組織很少，不需要做熱處理來消除；

（3）激光熔覆的材料與基材的融合性能好，結合強度高；

圖3 高速軸軸承檔出現較嚴重磨損

表1 兩種軸修復方式成本對比

（4）熔覆過程自動操作，質量穩定。

（三）故障處理實例

該風電場8臺發生齒輪箱高速軸磨損缺陷的風電機組中僅有1臺磨損程度較輕（單側磨損最大0.25mm，采用涂鍍工藝修復），其余7臺的磨損量均在1mm以上，最大的單側磨損量達2.8mm。齒輪箱廠家建議更換全部高速軸組件，但結合缺陷情況，并考慮更換成本，風電場未采取廠家建議，而是將磨損嚴重的高速軸經無損探傷確認基材無缺陷后，送至專業的激光熔覆廠家進行修復。

修復高速軸回裝齒輪箱恢復運行后，通過持續狀態跟蹤，確認設備運行狀況平穩，振動、溫度等各項參數指標均較修前有明顯改善，全部在正常值范圍內。定期開蓋檢查也未發現修復高速軸軸承檔再次發生“走內圈”故障，修復效果優良。表1為兩種方式的成本對比。該風電場利用激光熔覆修復高速軸，共節省檢修材料費用54.4萬元，經濟效益顯著。

四、齒輪箱體故障

（一）故障簡析

齒輪箱體失效故障包括箱體變形、局部裂紋、箱體磨量小，具有常溫焊補、基體不變形、組織不改變等優點。其基本原理為將存儲于電容器中的電能在瞬間釋放于黑色金屬材質工件和焊補材料的連接處，電流熱效應作用于兩者接觸電阻使其迅速熔化結合，其主要工藝特點如下：

（1）小范圍短時間發熱（一般受熱點小于1mm3，時間不超過1ms），大部分熱量都瞬間消散。焊補過程中焊補點附近基體都處于常溫狀態（基體溫升一般小于20℃），幾乎沒有基體變形、組織改變、焊接應力集中、焊接裂紋、焊接硬化、焊點退火等不良影響，基本不影響機械加工性能，不影響淬火、調質等熱處理工藝，可用于鑄件焊補，焊補后可進行后續機加工。

（2）每個焊補點為補材與基材熔化后的再結合，在焊補點處結合牢固、致密，熔接強度高，不會發生脫落；修復精度高，補焊后只需少量打磨、拋光，后處理工作量小，修復后不留痕跡。

（3） 設備設施簡單，適用范圍廣泛，可在狹小空間作業，能夠滿足多種金屬材質的修補需求。

冷熔脈沖焊的幾個工藝特點正好適用于齒輪箱體軸承內孔的焊補，考慮修復的可靠性和現場的可操作性，認為冷熔脈沖焊、焊后現場手動打磨為最合適方案。

（三）故障處理實例

1.概述

某風電場一期項目所用的61臺齒輪箱中，共有21臺存在中速級或高速級軸承“走外圈”現象。對于初期發現的齒輪箱箱體軸承孔磨損故障，齒輪箱廠家都要求下架維修或者更換新齒輪箱，但齒輪箱上、下架工作量大，維修成本高，風電機組也因此長時間停運，更換新齒輪箱的成本則更高。綜合各方面考慮，風電場管理方決定自主對齒輪箱軸承孔磨損較嚴重的1～12#風電機組齒輪箱進行機艙內揭蓋更換中速級和軸承孔修復處理，軸承孔修復全部采用冷熔脈沖焊修復手段，并跟蹤后續運行情況。

2.工藝流程及注意點

（1）解體揭蓋，現場清理

停運風電機組并做好安全措施后，對機組進行解體揭蓋（妥善保存拆卸部件），必要時拆除周邊的線纜、探頭等，以確保現場有一定的空間滿足運維人員實施焊接、打磨工作。應注意保護好箱體的配合面和密封面，防止其受到損傷。

（2）齒輪箱軸承孔檢查，磨損情況測量

清理軸承孔表面，檢查齒輪箱軸承孔表面情況，測量各檔內徑尺寸，檢查磨損程度和范圍，確定補焊區域及合理損等，其中較常見的是齒輪箱軸承裝配孔內圓磨損，表現為軸承“走外圈”。有些場合將此類故障歸為軸承故障，但從部件失效的角度來說，軸承“走外圈”直接造成齒輪箱體磨損失效，故在此歸為齒輪箱體故障。它一般是由于軸承選型、安裝、調整不當，或者潤滑不良造成，齒輪箱體與軸承外圈之間發生相對運動產生摩擦，從而引起箱體內孔磨損，這又加劇了箱體與軸承外圈之間的相對運動，最終導致軸承“走外圈”。此外，齒輪箱體變形也可能造成軸承“走外圈”。軸承箱體一般為鑄件，材質硬度遠小于軸承外圈，磨損主要發生在箱體上。箱體軸承孔磨損量大會導致齒輪傳動偏載，引發齒面斷裂等其他部件失效故障，因而，此類故障須盡早發現并處理。

（二）現場修復方案

對于齒輪箱箱體軸承內孔磨損故障，即使是早期磨損程度較輕的故障，處理起來也十分困難。之前業界的普遍做法是將齒輪箱整體下架維修，但該方法工作量大，吊裝費用成本高昂，且風電機組因此停運的時間長，風電場生產效益損失較大。

具體分析現場齒輪箱故障情況，在有效的運維管理和分析診斷基礎上，及早發現齒輪箱箱體軸承孔磨損缺陷，如果磨損范圍有限，理論上，只要找到基準面，利用修復手段恢復軸承孔原始尺寸，保證形位公差，就能使齒輪箱軸承恢復原同心度運行。本文以在機艙內現場修復軸承內孔磨損為目標，初步提出了軸承座鑲套、激光熔覆、高性能分子合金修復材料填充修復、冷熔脈沖焊四個實施方案。

軸承座鑲套是常規的機加工處理手段，對箱體磨損內圓加工，再加工一個內孔與齒輪箱軸承孔原始尺寸一致的襯套，鑲配到齒輪箱體上。該工藝成熟可靠，齒輪箱下架返廠維修一般都是采取鑲套處理。根據上文介紹，激光熔覆技術的加工效果可靠。但兩個方案都需要在機艙現場狹小的空間里架設機加工機具，經空間尺寸校核后，認為機具現場安裝就位困難，因此，上述兩個方案都不可行。

高性能分子合金修復材料填充修復方案屬于新工藝，修復材料完全固化后硬度較高，可以起到在磨損區域緊密填充間隙的作用，一般靜態部件修復都能取得較好效果。但由于風電機組運行中受力情況復雜，軸承會受到復雜交變、沖擊載荷作用，填充材料存在破裂隱患。一旦發生破裂，齒輪箱體軸承座將再度失效。因此，出于可靠性的考慮，也未采用該方案。

冷熔脈沖焊不同于常規電弧焊，由于單位時間輸入熱的補焊方案。需要注意的是，齒輪箱軸承孔表面在高接觸壓應力的作用下，經多力循環后，局部可能產生疲勞磨損，在表面可看到少量麻點或凹坑。實際上該區域表面已形成疲勞層，基體強度顯著下降，應在表面清理時打磨去除，否則會直接影響修復后的基體強度。表面初步處理完成后，可進行必要的無損檢測，避免遺漏隱性缺陷，影響修復質量。

（3）實施冷熔脈沖焊

由專業人員采用專用的焊接機具進行冷熔脈沖焊，一般選用強度高、塑性好且耐腐蝕的鎳基焊材。焊接是整個修復過程的關鍵，應注意補焊速度不宜過快，關注基材溫升情況，焊點要整齊致密，避免人為原因造成氣孔缺陷。

（4）制作研磨、檢測工具

根據齒輪箱軸承內孔尺寸制作樣板和芯棒，用于焊后打磨和檢查。可根據軸承外圈配合尺寸，預先準備好樣板和芯棒，以縮短風電機組停運處理時間。

（5）手工打磨加工，現場檢測

利用準備好的扇形樣板，對補焊區域進行手工打磨，可使用電動磨削工具，但必須控制好打磨量，避免重復處理。采用透光法進行現場檢測，完成粗加工，基本恢復齒輪箱軸承內孔尺寸。

（6）手工研磨，恢復軸承孔的尺寸精度

利用加工好的芯棒，對齒輪箱軸承孔進行研磨，用藍油檢查接觸情況，恢復軸承孔的尺寸精度。芯棒應便于手扶或握，尺寸不宜過小，避免偏斜，也可先加工扇形樣板進行研磨。

（7）對軸承更型，裝配防外圈跟轉軸承

新裝配中速級軸承選用同型號外圈帶防轉槽軸承，并在箱體軸承內孔相應位置打孔裝配防轉銷。

（四）修復后運行情況及后評估

1～12#風電機組齒輪箱于2015年6月完成修復并恢復運行，修后的運行情況表明，齒輪箱運行狀況平穩，振動、溫度等各項參數均較修前有明顯改善，全部在正常值范圍內。定期開蓋檢查也未發現修復軸承孔再出現軸承“走外圈”現象，證明了冷熔焊修復齒輪箱箱體軸承孔方案的可行性。該風電場后期另有4臺同類型故障齒輪箱也采用該方案修復，全部連續穩定運行至今未發現異常，修復可靠性得到證實。齒輪箱廠家也認可了該處理方案，并效仿該方案在其生產的風電機組齒輪箱同類型故障在線維修中使用。

由表2可知，在機艙內修復1臺齒輪箱箱體軸承孔相比1臺齒輪箱下架維修，可大幅節省維修費用，同時避免了大型部件吊裝過程中存在的安全風險。

圖4 箱體軸承內孔磨損情況示意圖

表2 兩種箱體修復方式成本對比

對于這5臺箱體軸承內孔磨損較嚴重的齒輪箱（齒輪箱中速級受影響已損壞），如根據齒輪箱廠家意見，采用全部下架舊齒輪箱、更換新齒輪箱的方案處理，保守統計共需625萬元。而采用冷熔脈沖焊在機艙內修復箱體軸承孔，并更換全套新中速級共產生費用125萬元，節省費用500萬元。此外，在機艙內修復還大大縮短了故障停機時間，提高了風電場生產效益。增加的效益與風力條件有關，此處不再進行估算。

結語

近年來，大型風電機組大批量安裝投用，運行時間不斷累積，主齒輪箱部件失效故障越來越多。針對部件失效故障，風電場應合理分析，準確判斷，制定合理的處理方案，避免盲目擴大處理范圍和更換部件，更好地控制故障處理成本，縮短故障處理時間，提升運維管理水平，提高風電場經濟效益和市場競爭力。