風力發電機齒輪箱磨損監測探討

歐煥飛

摘 要：風機齒輪箱作為雙饋型風機重要部件之一，風電機組運行環境惡劣，工況復雜多變，易造成故障頻發，而且故障維修困難，費用高昂。如何有效地監測風機齒輪箱磨損狀況，做好日常維護與故障維修工作，就顯得十分重要了。這里介紹了運用內窺鏡分析和鐵譜分析對各種磨損種類的診斷，并對其它方法進行了總結和展望。

關鍵詞：風機齒輪箱；磨損故障；內窺鏡分析；鐵譜分析；監測

我國現階段并網發電運營的風力發電機組中，超過一半以上是采用齒輪增速傳動雙饋型風機。齒輪箱作為風電機組的增速部件，是風機最主要的部件之一。主要作用是將葉片傳遞到風輪的低轉速、高轉矩動力，轉變為高轉速、低轉矩的動力，帶動發電機發電，并將產生電能的輸送到電網。

風電場的風機運行條件一般都十分惡劣，通常伴隨有風沙、鹽霧、潮濕、嚴寒、高溫、臺風、冰雪等嚴酷環境，強陣風，湍流、切變等復雜多變的風況，隨時不規律變化的功率和載荷，加上野外高空工作條件、狹小緊湊的分布空間，都對齒輪箱的設計、材料、加工、安裝、運行、潤滑等環節，提出了非常高的要求。盡管國際上齒輪箱設計技術已經比較成熟，但統計數據表明，齒輪箱出現故障仍然是風機故障的最主要原因之一，約占風機故障總數的30%左右，一旦出現故障，費用非常昂貴，并且維修時間長，電量損失大。齒輪箱的使用壽命要達到設計壽命20年，這對風電場運維帶來了極大的挑戰。

1 風力發電機組齒輪箱故障表現

齒輪箱主要故障有齒輪斷齒、塑性形變、碎裂、摩擦表面嚴重磨損等，分為漸進式和非漸進式故障。引起故障的原因：材料和裝配加工不好、潤滑不良引起設備磨損異常、長期高負荷和瞬時超負荷加劇設備磨損和沖擊引起，并不斷地漸進惡化的結果。因此，作為風力發電機組的作業人員，有必要了解風電機組齒輪箱的基本運行狀況，掌握齒輪箱故障的類型和變化規律，將對以后風電場運行維護、延長使用壽命產生顯著的作用。

2 風力發電機組齒輪箱故障分析監測手段

風電行業近十年來保持高速發展，風機齒輪箱的故障診斷與預警一直以來都是國內專家研究的重點。目前風電齒輪箱磨損狀態的監測方法主要有內窺鏡分析、鐵譜分析、振動分析、溫度監測和噪聲監測等，常用是內窺鏡分析和鐵譜分析，是比較直觀可靠的分析方法。工業內窺鏡分析，是能對機械內部彎曲及管道深處探查，能觀察不能直視到的部位，能在密封空腔內觀察內部空間結構與狀態，能實現遠距離觀察與操作，可在不需拆卸或破壞組裝及設備停止運行的情況下實現無損檢測檢查設備內部，廣泛應用于各行業，將觀測齒輪和軸承各個位置的磨損情況，并將圖像保存。鐵譜分析的基本原理就是利用高梯度的強磁場，將在用齒輪箱潤滑油中所含的機械磨損磨粒分離出來，并按其磨粒大小有序的分離出來，借助鐵譜顯微鏡觀察，對磨屑的形狀大小、成分、數量和粒度分布等進行定性與定量的觀察，判斷設備磨損狀況。工業內窺鏡和鐵譜分析都是設備磨損原因溯源分析以及故障診斷重要的檢測手段。并且是不需拆卸、費用低廉，安全容易操作，鐵譜分析適合于離線檢測，一般設在專業油品實驗室，用于普遍性檢查。內窺鏡分析適合在現場檢查，可在鐵譜分析后，被鐵譜分析磨損異常的齒輪箱，加以重點檢查，提高工作效率。兩種方法互相配合，既解決了鐵譜分析難以顯示具體部位的問題，也解決了用內窺鏡工作效率低的問題。

3 風力發電機組齒輪箱的磨損類型

齒輪箱的磨損類型主要有：（1）正常磨損、（2）粘著磨損、（3）疲勞磨損、（4）磨料磨損、（5）腐蝕磨損。其中，后四種都是常見磨損故障失效類型。

A.正常磨損是運行中的兩摩擦副表面在正常滑動磨損機理下所產生的磨損稱為正常磨損。其特點是摩擦表面光滑、光亮，磨損磨粒呈薄片狀，表面光滑，而且尺寸小、數量小等特點。

B.粘著磨損是摩擦副因負荷或速度過高而使應力變得過大時，潤滑油膜會發生破裂，因而固相焊合、膠合在一起，表面的材料由一個表面轉移到另一個表面的現象。金屬表面粗糙不平；剝落的磨損磨粒表面輪廓不規則，有時呈現出不同的回火色。

C.疲勞磨損是兩接觸表面作滑動或滾動與滑動復合摩擦時，在周期性載荷作用和應力作用下，表面金屬材料塑性變形，產生微小裂紋，裂紋擴展導致表面金屬脫落產生凹坑，摩擦副表面產生點蝕或微點蝕現象；剝落的磨損磨粒表面有麻點的，具有光滑的較溥的表面和隨機曲折的輪廓。

D.磨粒磨損是摩擦副之間夾帶堅硬磨粒，或是由于較硬的零部件金屬表面有突出物或是零部件出現裂紋，互相摩擦時引起零件表面材料損失的現象，摩擦副表面有清晰劃痕，產生的磨粒尺寸一般較小較長，且多呈螺旋狀、圓圈形、曲線形。

E.腐蝕磨損是金屬表面在摩擦過程中，金屬同時與周圍介質發生化學或電化學反應，使磨擦副表面材料磨損的現象即腐蝕磨損。由化學浸蝕造成的齒面剝蝕，一般跡象是齒面布滿微型凹痕和晶界被氧化。

4 結語

為保障風電機組可靠運行，需要定期連續對風機齒輪箱開展磨損監測，分析歷史磨損趨勢，研判當前及未來設備磨損狀態，對于監測到異常情況的，及時預警或報警，并增加頻次監測，為風電場運維提供故障信息，科學地作出整改措施和技改方案。監測的手段不局限于內窺鏡分析和鐵譜分析，還可以結合振動、噪聲、溫度、磁塞檢查等手段，互相配合綜合分析，診斷當前設備磨損狀態，預測未來設備磨損狀況。不斷完善多種監測手段的能力，運用智能手段提取核心的特征數據，提高故障診斷水平和預測技術，最大限度地延長了機組使用壽命，降低運維成本，提高企業效益。

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