風電機組齒輪箱常見故障及防護措施

郭阿童

（國電電力湖南新能源開發有限公司，長沙 410000）

近年來，國內風電能源產業得到快速發展，風電裝機容量不斷增加，年發電量也不斷增加，保障了國內電力穩定供應。由于風電場運行環境比較惡劣，隨著投運時間的累加，風電機組各類故障也開始出現，齒輪箱故障就是其中一類常見的故障。齒輪箱是風電機組的重要機械部件之一，是機組主傳動鏈的重要組成部分，主要作用是將風輪的動力進行增速后傳遞給發電機[1]。齒輪箱多是安裝在塔頂機艙的狹小空間內，長年受極端溫差、振動及變載負荷等多種因素影響，易出現故障，如果故障較大需要下塔維護的話，不僅維修費用較高，而且維修周期長，影響風電場的經濟效益。因此，對齒輪箱常見的故障進行分類匯總，并利用科學的防護措施降低其故障發生率，對于風電機組的安全穩定運行具有重要的意義。

1 風電機組常用的幾種齒輪箱結構形式

在當前國內風電機組中，常用的齒輪箱結構主要有三級平行軸圓柱齒輪傳動、一級行星齒輪加二級平行軸圓柱齒輪傳動，以及二級行星機構串聯軸傳動等結構形式。三級平行軸圓柱齒輪的傳動結構比較簡單，為上下對開的齒輪傳動，拆裝起來比較便捷。該齒輪箱的輸入軸直接和葉片的輪轂連接在一起，葉片的轉動帶動低速大齒輪旋轉，一級齒輪軸將扭矩增速后傳遞給二級增速齒輪，通過二級齒輪增速后傳到輸出軸，從而帶動發電機工作。該結構的箱體體積及重量較大，在兆瓦級的風電機組中應用少。一級行星齒輪加二級平行軸圓柱齒輪傳動多在兆瓦級的風電機組中應用，該齒輪箱的結構比較緊湊，低速齒輪扭矩大，行星架和機組主軸連接在一起，葉片旋轉的動力由行星輪傳遞給太陽輪，再利用花鍵連接傳給低速軸，通過中間齒輪的傳動將動力傳到輸出軸，結構采用行星傳動，太陽輪的質量小、慣性小，第二級和第三級的齒輪扭矩小，減速比分配均勻，傳動效率比較高。二級行星機構串聯軸傳動是一級行星架與主軸連接，扭矩傳遞到太陽輪，再通過第二級的行星輪傳遞到串聯軸，帶動發電機工作。該箱體結構尺寸比較小，但是結構較為復雜，制造精度要求高，適用于結構緊湊的動力傳動。

2 風電機組齒輪箱主要故障

2.1 齒輪損傷

齒輪損傷是齒輪箱故障中發生最多的一種，某風電場2021年齒輪箱故障共計發生11次，其中6次和齒輪損傷有關。齒輪損傷主要包括齒輪點蝕、磨損、斷齒等多種形式，在實際運行中發生較多的是點蝕[2]。點蝕產生的原因是齒輪在運轉過程中，齒輪的嚙合面會產生接觸應力，這個應力隨著機組載荷的變化而不斷變化。如果嚙合面的接觸應力長期超過齒輪材料本身的疲勞極限，齒輪內部會出現微觀裂紋，裂紋會隨著機組運行時間增加而逐漸蔓延，最后齒輪的表面就會出現麻坑，即所謂的點蝕。齒輪面出現點蝕后，齒輪面的承載面積就會減少，并增加齒輪的接觸應力，加劇齒輪的疲勞損傷，有可能導致齒面脫落。磨損多是由于齒輪潤滑油的清潔度差、黏性差、潤滑不足等因素導致的。斷齒產生的主要原因是極限風速導致的系統過載，緊急制動或者是工況變化引起的瞬時載荷等，以及軸承損壞、較大硬物的沖擊等。另外，齒輪材料本身的缺陷（強度不夠、熱處理工藝不達標等），長期磨損導致的齒輪減薄等也是造成齒輪斷齒的主要因素之一。在實際運行中，行星級齒輪、中間級齒輪等出現斷齒故障后，多數都需要拆卸后下塔維修。

2.2 齒輪箱油溫高

齒輪箱油溫高，主要是由于油溫監測回路故障、齒輪箱油冷電氣控制回路故障、油冷執行回路故障等原因導致的。引起油溫監測回路故障的主要因素有：外界環境的干擾（雷擊、電磁干擾、柳絮堵塞散熱器通風口等）、溫度監測模塊損壞、油溫傳感器損壞、監測回路斷線或松動（連接線固定螺栓松動、絕緣破損、導線連接處斷股等）。齒輪箱油冷電氣控制回路的故障現象為控制回路指示燈不亮、常閉點斷開、常開點閉合等，主要原因是油冷電機泵或散熱器的控制接觸器線圈出現接地、斷線、相間短路等故障。此外，控制回路絕緣接地也會導致油冷電氣控制回路故障[3]。齒輪箱油冷執行回路包括馬達電機、油管、散熱器片、冷卻風扇等，主要故障現象為馬達運行聲音異常、油管堵塞、散熱器片堵塞、冷卻風扇的扇葉損壞、電機卡死等。導致齒輪箱油冷執行回路故障的主要原因是電機繞組斷線、接地、絕緣擊穿、電機回路接線端子螺栓松動、導線接頭斷股、電機空開本體故障、散熱片被灰塵堵塞等。此外，接觸器故障（本體卡澀、相間絕緣被擊穿、接線端子燒毀等）、供電總電源故障（三相電壓不平衡、供電回路電纜接地、短路等）也是導致齒輪箱油冷執行回路故障的主要因素。

2.3 軸承損壞

由于風電機組的工作環境及載荷復雜多變，齒輪箱的載荷也不斷變化，導致軸承易出現故障。統計數據表明，早期風電機組齒輪箱故障中發生最多的就是軸承故障，隨著軸承技術以及現場維護策略的不斷成熟完善，軸承故障發生率大大降低，但是軸承故障仍舊時有發生，而且軸承故障往往會給齒輪箱帶來較大的破壞[4]。軸承故障主要是磨損、過熱、腐蝕、裂紋、表面脫落等，主要故障原因是安裝不當、潤滑不良（潤滑油不足、失效、不清潔等）、軸承座或軸變形引起的游隙變化等。在實際中，由于軸承選擇不當，會導致軸承承受的徑向載荷不滿足運行要求而出現軸承打滑現象；潤滑油不達標會導致軸承潤滑不良，潤滑油清潔度不夠會使雜質進入到軸承滾道間導致軸承磨損；軸承初始游隙設計不當會導致軸承溫差大。在軸承的故障中，由于潤滑不良因素導致的故障較多，主要包括回油孔設計不當引起的回油不暢，油嘴位置設計不當導致潤滑油量小，潤滑油抗磨性及黏溫特性差，以及潤滑油更換不及時等。

2.4 齒輪箱體故障

齒輪箱故障主要有箱體滲油、變形、局部裂紋以及磨損等。箱體滲油主要發生在箱體與齒圈、端蓋的結合面，高速軸與低速軸的軸頸處等。箱體與齒圈結合面漏油主要是由于結合面密封條密封不良，箱體與齒圈連接螺栓松動等因素導致。齒輪箱高、低速軸軸頸處滲油主要是由于回油不暢（回油孔堵塞），密封件選用不當等原因導致。此外，潤滑油管接頭松動，連接處密封膠失效，接頭密封不良等也是造成齒輪箱滲油的重要原因。箱體變形主要是由于齒輪件的加工精度不夠，部件裝配誤差大，箱體材料的強度不足等因素導致。箱體局部裂紋是由于箱體材料或熱處理不達標，在運行中受到沖擊載荷的影響出現的箱體裂紋或齒圈開裂現象。箱體磨損主要表現為齒輪箱軸承裝配孔內圓磨損，也被稱為“走外圈”[5]。齒輪箱體材料為鑄件，硬度比軸承小，因此軸承外圓磨損主要發生在箱體上。在實際中，由于軸承選型以及安裝不當等因素導致軸承外圈與箱體間產生摩擦，摩擦會引起箱體內孔磨損，長時間的運行會導致磨損加劇。

2.5 其它故障

齒輪箱其它故障主要有：空心管斷裂、齒輪箱油漆脫落、內部齒輪生銹等。齒輪箱空心管也被稱為穿線管，風電機組輪轂信號線穿過空心管和滑環單元相連接，空心管斷裂會影響機組安全運行，斷裂的主要部位在空心管和軸承軸頸的焊接處，主要是由于焊接質量不達標，如未焊透、焊接裂紋等因素導致的。齒輪箱油漆脫落主要發生在齒輪箱縮進盤表面，由于縮進盤表面光滑，油漆附著力不達標會導致油漆脫落。齒輪生銹主要是由于齒輪箱長時間放置而防護措施不當，導致齒輪件表面出現銹蝕。

3 齒輪箱故障防護措施

3.1 加強日常運行維護

風電機組齒輪箱故障除了設備自身材料質量及制造工藝等因素的影響外，主要是運行維護不當導致的。因此，要加強對齒輪箱的日常維護，降低其故障發生率。維護管理人員要按照廠商提供的《齒輪箱全壽命周期內運行維護指導書》內容，并結合風電場實際運行環境，制定完善的日常維護內容，加強日常運行維護管理[6]。比如，齒輪箱在塔下存放過程中，要做好防水、防潮、防塵保護，定期檢查齒輪箱內部的濾芯、油管狀況，定期清理零部件銹蝕、雜質、灰塵等。當風電機組不發電需要塔上臨時停機時，要做好齒輪箱的相應保護，傳動鏈連續鎖住時間不宜超過一周，防止葉輪晃動導致齒輪副嚙合齒來回擺動，在嚙合處產生磨損。正常運行時，由于潤滑不良會導致齒輪箱多種故障發生，因此需要每6個月對齒輪箱潤滑油檢測一次，關注潤滑油的黏度、酸值、水分含量以及顆粒物等指標變化，如果潤滑油品質不達標要及時更換。定期檢查油路軟管是否有滲油或老化現象，潤滑硬油管有無接頭失效，有無滲油點、油封及防塵圈有無老化或滲油，壓力傳感器及壓差傳感器運行狀況是否良好等。檢查齒輪有無點蝕、磨損、斷齒等情況，軸承有無磨損、滾珠脫落等情況，緊固件和連接件有無松動，監測回路導線有無斷股、虛接、短路、接地等，箱體有無變形、開裂等。

3.2 應用監測技術和檢查儀器

齒輪箱在塔頂安裝，小的故障不易被發現，利用在線監測技術可以提前發現齒輪箱存在的安全隱患，及時采取優化改進措施。在實際中，常用的在線監測技術是振動頻譜分析技術，通過對齒輪箱振動數據的收集和振動波形的分析，判斷出故障部位。利用在齒輪箱上安裝的在線監測設備收集齒輪箱的運行數據，齒輪箱發生故障后，振動特性會發生變化，信號會發生畸變，或者嚙合頻率處的頻譜值會明顯變大，結合這些特征可以定位齒輪箱故障部位。利用在線監測，可以掌握齒輪箱運行狀態及異常征兆，提前發現故障[7]。實際中，可單獨建立在線監測系統，也可以在齒輪箱上安裝在線監測傳感器，通過收集、分析傳感器數據來達到監測設備狀態的目的。由于齒輪箱的結構比較復雜，只有借助儀器才能更好地檢查內部零部件的運行狀況及細微的缺陷。在實際中，常用內窺鏡來檢查箱體內部。內窺鏡攜帶比較方便，而且清晰度高，操作簡單，利用探頭可以實現對箱體內部的檢查。當出現出齒輪箱噪聲大、振動異常等狀況時，將探頭從箱體的窺視孔伸入到內部進行檢查，主要檢查行星及圓柱齒輪面是不是有點蝕、磨損等情況，軸承是否有磨損情況，根據檢查結果采取預防措施，避免小缺陷發展成大故障。

3.3 建立齒輪箱管理檔案

根據風電機組運行實踐，總結出齒輪箱故障的發生是一個漸變過程，只有通過連續的狀態跟蹤才能更好地掌握其狀態，為開展運行維護提供數據參考。檔案的內容主要包括齒輪箱基本信息、軸承及齒輪參數信息、潤滑油的指標變化信息、定期監測與檢查的信息，以及故障處理記錄等。齒輪箱基本信息包括生產廠家、出廠編號、制造日期以及運行時間等，軸承及齒輪參數主要包括產品的型號、基本的運行參數信息等，潤滑油信息主要包括出廠前廠家提供的檢測數據、安裝后風電場取樣檢測的數據，以及運行6個月后的油品檢測數據。將潤滑油各項關鍵指標制成曲線圖，通過觀察油品指標變化來監測潤滑油的品質。定期監測及檢查的信息主要包括在線監測的齒輪箱關鍵部位（行星輪、軸承、高、低速軸、輸入端和輸出端等）的數據信息以及日常檢查維護的信息。故障處理記錄主要包括每次故障發生的部位、發生的原因、有無更換零部件、更換的部件名稱等信息，維護人員每次進行故障排除后將處理記錄以表格的形式提交給技術部門，存檔備案，利用管理檔案，可以實現齒輪箱全壽命周期的管理和維護，不僅能提高管理效率，還能降低故障發生率。

4 結束語

齒輪箱是風電機組的重要組成部件，其狀態是否良好對于風電機組運行有重要的影響。隨著風電機組大量投用及運行時間的增加，齒輪箱故障發生率也開始提高，影響機組安全運行。因此，要做好齒輪箱的運行維護管理工作，做好前期預防，延長其運行壽命，減少維護成本，提高風電場的發電效益。