探析風力發電機組齒輪箱常見的故障分析及檢測方法

胡殿昊　李佳明　高偉

[摘要]目前，齒輪箱故障在風力發電機組故障占據著很大部分，齒輪箱作為雙饋型風力發電機組的核心部件，其損壞不僅會大大增加維修費用、運輸費用和吊裝費用，還會帶來巨大的電量損失。因此，對風力發電機組齒輪箱常見的故障進行分析和檢測，對提前預防故障具有非常重要的現實意義。據此本文對風力發電機組齒輪箱常見的故障及檢測方法進行了具體分析。

[關鍵詞]風力發電機組；齒輪箱；故障分析；檢測方法

一、風力發電機組齒輪箱常見的故障

風力發電機組齒輪箱在正常運轉過程中，受齒面嚙合時承受的荷載不均勻和輪齒嚙入、嚙出的沖擊，都會直接導致故障。據此，筆者對一些常見的故障進行了具體分析。

（一）膠合

膠合是相嚙合齒面在嚙合處的邊界膜被破壞，導致接觸齒面金屬熔焊而撕落齒面上的金屬現象。導致其產生的原因主要是因為在重載和高速傳動下，齒輪箱在齒面高溫嚙合區產生的潤滑不良或者干澀，導致嚙合的齒面熔焊在一起。

（二）點蝕

在齒輪實際切合的過程中，受脈動力和重載荷的作用，齒面深處會產生循環變化的剪應力，在超過輪齒材料的疲勞極限時，齒面的接觸面就會產生疲勞裂紋，從而導致齒面細小金屬片的剝落，形成小坑，即為點蝕，更為嚴重時，還會導致齒面形成大塊金屬連片脫落。

（三）斷齒

輪齒折斷大多情況下，是由根部細微裂紋在周期性應力作用下逐步擴展形成的，齒輪在運作過程中，出現嚴重的沖擊、偏載或局部應力過大等問題，都會導致斷齒現象發生。

（四）滲漏油

滲漏油是齒輪箱傳動系統中常見的故障，漏油會對齒輪和軸承等的潤滑效果造成不良影響，導致各運動零配件之間的摩擦加劇，從而減少零件的使用壽命，更有甚者會直接導致齒輪箱不能正常運作。在設備維護工作中，齒輪箱滲漏油的主要原因有很多，即密封件損壞或安裝問題，導致接合面密封不嚴：相對運動的零件尺寸配合間隙過大，或由于長期運動磨損，導致間隙過大；箱體鑄造存在氣孔和沙眼等缺陷：工作溫度過高，潤滑油管變形或存在裂縫，導致油管漏油。

（五）油溫高

齒輪箱油溫高是由于風力發電機組長時間處于滿發狀態，潤滑油因齒輪箱發熱而溫度上升超過設定值。一般齒輪箱油溫高是由多種原因共同導致的，也可以是單一問題導致。總之，造成油溫高的主要原因有很多，即齒輪箱油冷卻回路堵塞、閥件損壞、散熱器通風不暢；齒輪箱達到一定疲勞極限，效率下降嚴重超出冷卻系統的設計極限；機艙內部溫度較高，冷卻效果急劇下降；潤滑油潤滑效果嚴重缺失，導致齒輪嚙合效率下降，發熱量增大；輪系布置不合理，軸系對中效果不好，導致額外應力集中；溫度傳感器及傳輸回路本身問題或者其他設計缺陷。

（六）齒面磨損

齒輪的磨損部位為漸開線工作工作面、齒的嚙合處以及齒輪兩端面。齒輪齒面磨損一般主要分為四種情況，其一是由接觸表面上的金屬以一定的速率緩慢的損耗，導致正常磨損或磨光，在預期壽命內，將不會對齒輪的正常使用造成影響。其二是受長期重負荷作用的影響，齒輪發生破壞，屬于中度磨損，是金屬的損耗，這種磨損會嚴重影響齒輪的使用壽命。其三是齒面的損壞，很容易導致齒輪的使用壽命大大降低，并嚴重影響其平穩性。其四是在高速運轉過程中，一些細顆粒進入齒輪的嚙合中，導致損壞。

（七）軸承損壞

在運轉過程中，軸承長期受重載和交變載荷的影響，在交變沖擊作用下，軸承很有可能造成各種損壞。同時，安裝偏心、潤滑不良和油膜震蕩等問題，都會導致軸承發生故障，主要的表現形式是軸承外圈銹蝕、內圈磨損、滾動體故障等等。

二、風力發電機組齒輪箱常見故障的檢測方法

大多數情況下，齒輪箱發生故障都是能夠采取相應的合理手段加以解決、甚至避免的，根據現場實際的運行經驗和國內大型風機廠家技術革新，可以采取以下有效措施，對齒輪箱缺陷的發生進行預防，并檢測齒輪箱的運行狀態和劣化趨勢。

（一）安裝離線式濾油裝置

風力發電機組的齒輪箱潤滑油主要污染包括顆粒物、水和氧化產物等污染物，其對潤滑油和設備本身，會大大增加齒輪和軸承疲勞、磨損等風險。風機齒輪箱在運行過程中，清潔度需要符合ISO17/15/12的標準，污染程度如果超出標準，就必須及時進行新油更換，或者使用高精度的濾器，以此滿足相關要求。風力發電機組的齒輪箱附帶線過濾器，精度大多在10-50μm。但是一般中型載荷的油系統中，10μm以上的顆粒物只占了10%左右，大約70-80%的顆粒物大約在1-5μm之間。因此，齒輪箱附帶線的過濾器根本不能起到有效的保護作用，這些小顆粒物進入齒面和軸承間隙中，就會知道導致齒輪和軸承的磨損，甚至失效。為了滿足風力發電機組的潤滑油清潔度要求，加強齒輪系統運行的可靠性，可以使用高精度、功能齊全的離線精濾器，以此有效吸附顆粒物、水分和氧化物，確保潤滑油的清潔度維持在良好水平，從而延長油品和機械設備的壽命。

（二）合理使用故障診斷技術

故障診斷技術始于機械設備，主要包括監測設備的運行狀態，在發生異常情況后，分析和診斷設備的故障。風力發電機組的設計標準GB-18451.1《風力機安全要求》中進行了明確要求，即風力發電機具有屬于自己的一套獨立于控制系統外的保護系統，保護系統在風力發電機超速、過載和過分振動等情況下起作用。目前，在市場上技術比較成熟的齒輪箱故障診斷技術，就是風電機組振動狀態在線檢測系統，能夠警報和預測設備的故障，并有效評估機組機械傳動部分運行狀態，從而避免缺陷被擴大化，這對設備的維護和檢修工作具有重要的現實意義。

（三）建立完善的維護檢修標準

根據GBT1907-32008《風力發電機組齒輪箱》的相關規定，即為確保齒輪箱正常運行，必須隨機監控和定期檢查齒輪箱的工程。在運轉三天內進行首次檢測，在試運行1000h后，再進行復測，在運行6個月后，再進行檢測，隨后按照規定進行間隔性檢測。定期對齒輪箱工作溫度、清潔度、噪聲、振動等級、軸承及齒輪的工作情況、油液及整體運行情況等進行檢查。定期清理濾清器，更換潤滑油。在平時，齒輪箱的維護主要是檢查和處理整體外觀、附件、電氣接線和潤滑油狀態等。對齒輪箱進行定期維護，需要借助器械、儀表和委托檢驗的方式進行維護，關鍵做好齒輪箱的螺栓力矩檢查，軸系對中校核和潤滑油取樣化驗，特別要根據有化驗的數據參數建立油品分析臺賬，建立橫向和縱向分析機制。有條件的企業可以輔助內窺鏡檢查和振動分析儀的測量，加強齒輪箱內部嚙合部件運行工況的檢查和測量。

三、結語

綜上所述，齒輪箱是風力發電機組的重要機械傳動部件，由于運行工況比較復雜，交互載荷變換十分頻繁，零件數量繁多，運行檢測數據過大，因此必須切實結合常規檢測維護手段和新技術，全面預防和判斷設備故障發生的趨勢和劣化的可能，從而確保風機發電機得以正常運行。