風機齒輪箱主要部件失效形式及預防措施分析

李世棟，鄧宏綱，尹維召

（中節能風力發電（河南）有限公司，河南 鄭州 450001）

根據國家“碳達峰、碳中和”戰略目標要求，到2030年太陽能發電和風力發電的總裝機容量要達到12億千瓦以上，而截至2021年底，太陽能發電與風力發電的總裝機容量才6億多千瓦，其中風力發電總裝機容量3億多千瓦。所以未來數年內，風電的裝機容量還會快速增長。并且隨著國家財政退出了對風電的補貼，風電企業的盈利能力急劇降低，而通過提高風機可靠性、提高故障一次維修成功率和降低維護時間來降低檢修維護成本和提升發電量，是風電場“降本增效”的最有效手段。目前風力發電機主要有“雙饋”和“直驅”兩種類型，由于技術成熟、同容量成本低等優點，“雙饋”機型的市場占有率在85%以上。“雙饋”和“直驅”機型在結構上最大的區別是“雙饋”機型有齒輪箱。雖然齒輪箱的技術相對成熟，但風機所在的地區環境通常較為惡劣，機組啟停頻繁、晃動嚴重，眾多的因素導致齒輪箱的故障率居高不下。齒輪箱的重量在20t左右，價值100萬以上，且處在幾十甚至上百米的高空，其一旦出現故障，維修時間長，成本高，帶來較多的發電量損失和營業成本增加。本文根據多年風電運維經驗，對風機齒輪箱齒輪、箱體和軸承三大主要部件的失效形式進行總結，失效原因進行分析，并提出了一些預防和預警措施，以期提高齒輪箱運行的穩定性，提高檢維修效率，提升風電場效益。

1 齒輪的失效形式及預防

齒輪箱內部有數量眾多的齒輪，齒輪的故障率占整個齒輪箱故障的比例在60%左右，齒輪的失效形式主要集中在齒上，包括齒面腐蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒輪斷齒等。

1.1 齒面腐蝕

齒面腐蝕主要有銹蝕（如圖1）和電腐蝕（如圖2）兩種形式。化學性銹蝕常見的是齒面生銹，這主要是因為潤滑油水含量超標或齒輪箱內部空氣濕度長期較高，此情況多出現在夏季雨水較充沛的地區。預防措施有：根據齒輪箱空氣濾清器的顏色變化，及時更換即將失效的濾芯；定期對油品進行抽樣檢測，確保水分含量合格等。電腐蝕是齒輪在運轉過程中長期有意外的電流通過，由于齒面咬合處接觸面積小，電流經過此處時會因電火花而產生高溫，齒面的力學性能降低而形成腐蝕。電腐蝕會在齒面形成均勻的“搓衣板”狀損傷，由于損傷均勻且前期腐蝕較輕，所以前期的電腐蝕不易被發現。預防電腐蝕的措施是做好接地，定期檢查齒輪箱是否有電流流過。另外可以通過溫度監測、振動監測、油品金屬成分檢測和內窺鏡檢查等，發現早期的電腐蝕，將損傷消除在萌芽狀態。

圖1 齒面生銹

圖2 齒面電腐蝕

1.2 齒面磨損

齒面磨損根據不同的原因及嚴重程度可以分為：微點蝕、宏觀點蝕、齒面剝落和微動磨損等。微點蝕（如圖3）又叫作灰斑現象，它是齒輪在長期嚙合過程中，齒面出現的一種呈發灰狀態的損壞現象。該磨損的形成原因比較復雜，一般認為是齒輪在加工過程中由于加工精度的問題，齒面總是存在一些微小的“凸凹”，導致油膜不足以100%覆蓋整個齒輪表面，或者覆蓋的厚度不足，這些凸起的部位在輪齒嚙合過程中受到摩擦和剪切應力的作用，發生疲勞、局部過熱而導致微點蝕。微點蝕發生后，如齒面所承受載荷及使用環境不是十分惡劣，同時及時改善齒面潤滑狀況，大部分將不再繼續發展。宏觀點蝕是齒輪接觸表面因疲勞而出現剝落，形成點狀的小坑。宏觀點蝕形成的原因主要是：齒輪嚙合過程中不僅有相對滾動還有相對滑動，由于材料存在缺陷或齒輪受到沖擊力出現短時載荷過大等原因，造成齒面相對滑動產生的剪切應力會短時超過材料的疲勞極限，齒面就會產生疲勞裂紋，隨著運行時間的延長，裂紋不斷擴展，最終會在裂紋邊界處局部產生金屬粒狀剝落，形成小坑，即產生宏觀點蝕。如疲勞裂紋繼續擴展，最終表面就會出現塊狀剝落。微動磨損（如圖4）是在相互壓緊的金屬表面間產生的一種復合型式的磨損，也叫“黑線”。其產生的原因是齒輪箱長時間停止運行，潤滑油液面以上的齒面得不到任何潤滑，小幅振動帶來齒輪間不斷往復嚙合，出現交變接觸應力，就會在齒輪咬合的齒面上出現一條黑線。隨著時間的延長，微動磨損處將會由于高溫缺油而逐漸出現點蝕甚至裂紋，進而出現輪齒折斷。保證加工工藝的穩定、選擇合適型號的潤滑油以及避免較高的沖擊載荷傳遞到齒輪箱是預防齒面磨損的最有效方法。

圖3 齒面微點蝕

圖4 齒面微動磨損

1.3 齒面膠合

齒面膠合是相嚙合的兩齒面，因油膜在壓力的作用下破裂而發生直接接觸，進而出現粘著、撕裂的現象，根據產生機理不同，可分為熱膠合和冷膠合兩種。熱膠合是齒輪嚙合處出現高速重載，產生的摩擦熱使油膜破裂，咬合齒面金屬直接接觸并因高溫而出現局部黏結，齒輪嚙合時齒面相對滑動，齒面沿滑動方向被撕落就發生膠合。冷膠合是齒輪嚙合處低速重載，滑動速度低，不易形成油膜，局部壓力增高，使兩接觸表面油膜被刺破而產生的粘著撕裂。因此匹配合適的潤滑油型號、采用主被動潤滑相結合的潤滑方式以及保持良好的散熱是避免齒面膠合損傷發生的最有效手段。

1.4 齒輪斷齒

齒輪斷齒包括疲勞斷齒（如圖5）和過載斷齒（如圖6）兩種情況。疲勞是工程中最常見的零件失效形式之一，它是交變載荷超出材料疲勞極限而產生的失效。疲勞斷口可分為三個區域：疲勞紋源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區。其發展過程大致可分為：齒根受彎曲應力→初始疲勞裂紋→裂紋不斷擴展→輪齒斷裂。過載斷齒是齒面載荷超過了最大承受載荷，其斷口宏觀特征與材料的拉伸斷口一樣，有明顯的頸縮現象。過載斷齒發展過程大致可分為：短時過載沖擊造成局部齒斷裂→齒寬較小的齒輪局部斷裂→斜齒輪或齒寬較大的直齒輪斷裂。應對斷齒的最好辦法是從材料和加工工藝入手，保證齒輪的疲勞極限和抗拉極限滿足使用工況要求，其次是盡量避免沖擊和過載等極端受力情況的出現。

圖5 齒面疲勞斷齒

圖6 齒面過載斷齒

2 箱體的失效形式及預防

齒輪箱箱體大部分都承受的是靜載荷，相對比較穩定，只有與軸承連接的軸承孔有時會因為軸承外圈“跑圈”或軸向串動而出現磨損。

主要應對措施有：（1）保證加工精度，使軸承與孔的配合達到工藝要求。（2）對軸承進行溫度監測，以防因內外溫差長期過大，熱脹冷縮不均勻，導致配合間隙發生變化而磨損。（3）增加止動銷。當軸承孔出現輕微磨損時可以通過涂抹金屬修補膠、冷焊或激光熔覆焊等特種加工進行修復。

3 軸承的失效形式及預防

每一個轉動部件都要有軸承支撐，據統計，軸承的故障率占整個齒輪箱的故障比例在20%左右，軸承的失效主要有腐蝕、磨損和斷裂等幾種形式。

3.1 軸承腐蝕

軸承腐蝕主要分為銹蝕和電腐蝕。軸承銹蝕和電腐蝕產生的機理及預防措施與齒輪銹蝕和電腐蝕相同，在此不在復述。

3.2 軸承磨損

軸承的磨損主要有磨粒磨損（如圖7）、粘著磨損（如圖8）和微動磨損三種情況。磨粒磨損的主要原因是部件加工表面光潔度不符合要求，裝配運輸過程中有雜質意外進入，潤滑不良等因素而引起運動表面有硬質顆粒，進而造成表面磨損，這種磨損發生后如不能被及時發現，磨損速度將越來越快。磨粒磨損的主要預防措施是保證裝配過程的清潔度、預防雜質侵入，另外需要定期配合油脂的理化檢測，及時發現初期的磨損，預防進一步惡化。除了專業的油品檢測實驗室，我們也可以采用將油脂均勻涂抹在白紙上，在光線較暗的環境下，用強光燈照射，根據反光情況大致判定油脂內的磨粒數量。粘著磨損是因為過速或潤滑不良導致運動表面溫度過高，材料的強度下降而轉移，溫度下降后再硬化而引起應力集中，進而出現裂紋或脫落。預防粘著磨損的關鍵是避免高溫，做好潤滑和散熱是最有效的預防方式。微動磨損是兩個受力面來回運動而造成的表面損壞，主要預防措施是，風機長時間停機時不能鎖定輪轂，要讓其在順槳狀態下自由轉動，避免在某一處來回微動。

圖7 軸承磨粒磨損

圖8 軸承粘著磨損

3.3 軸承斷裂

軸承斷裂通常有過載斷裂、疲勞斷裂和熱脹裂。軸承過載斷裂和疲勞斷裂產生的原因與齒輪斷齒的原因相同，都是超過了疲勞極限和抗拉極限，主要預防措施也一樣。熱脹裂產生的原因是軸承內部因過轉速、潤滑不足或表面磨損等因素而導致內部溫度高，外部溫度較低，內外溫差大，軸承內外熱脹不均勻，配合間隙減小直至卡死脹裂。此種失效多發生在冬季環境溫度較低時。預防措施是，冬季降低發電機冷卻風扇啟動頻率，適當提神啟動溫度，較小軸承內外溫度差。

4 結語

風機齒輪箱的主要故障發生在齒輪和軸承這兩大關鍵部件上，齒輪的主要失效形式有齒面腐蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒輪斷齒等，軸承的主要失效形式有電腐蝕、磨粒磨損、疲勞斷裂和熱脹斷裂等。為減少齒輪箱的故障率，我們應以預防為主，在設計、選材、加工安裝和轉運的過程中要嚴格按照各項標準和規范執行，工藝水平的控制對產品的質量起至關重要的作用。另外要通過溫度監測、振動監測和油品理化檢測等技術手段，及時發現初期的微小損傷，采用激光熔覆焊和金屬修補劑等先進技術手段進行修復，消除缺陷，預防重大故障發生，降低風電場運行成本和電量損失，提升經濟效益。