風電機組齒輪箱故障診斷和處理

張道全

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

隨著十四五計劃中“碳達峰，碳中和”目標的建立，風力發電作為新能源電力供應方式逐漸得到更多認可。同時，第十九次人民代表大會能源導向明確提出要構建清潔低碳、安全高效的能源體系。在此政策導向下，根據國家統計局發布《中華人民共和國2020年國民經濟和社會發展統計公報》，2020年中國風力發電裝機容量飛速提升至28153 萬千瓦，同比增長34.6%，已占我國發電裝機規模總量的12.79%。在裝機容量的激增下，風電機組日常的運維問題將帶來更多經濟影響。作為風電機組傳動系統的核心，齒輪箱的維護尤其重要。

一、風機齒輪箱行業現狀

風電機組發電的原理是將風輪收集到的機械能，借由齒輪箱傳動到發電機將其轉化為電能。

在這個過程中，齒輪箱的作用是將風輪的低轉速提升至發電機所需的高轉速。齒輪箱是雙饋風電機組傳動鏈中最重要的部件，其設計要求體積小，重量輕，結構堅固。風機制造業中，各大企業對齒輪箱進行了深入研究和性能優化設計，但目前世界風電行業所用增速齒輪箱仍然故障頻發。齒輪箱一旦發生故障，維修困難且修理時間較長，不僅更換費用昂貴，還會大幅降低當月利用小時數，造成大量經濟效益的損失，甚至降低電力系統穩定性。

二、齒輪箱故障類型及成因

由于風力發電機組的選址通常在山地平原等偏遠地區，整場機組運行環境相對較差，部件受損概率較高。同時現場運維人員水平參差不齊，難以做到系統化地對風機進行維護，致使隨著使用年限的增加齒輪箱故障頻發，尤其在出質保期以后齒輪箱工況更是難以保障，生命周期也隨之縮短。

（一）齒輪故障

齒輪故障是齒輪箱故障的主要來源，在齒輪箱系統的所有故障中占比60%。造成齒輪失效的主要形式包括斷裂、點蝕、膠合、塑變和磨損，失效后修復較慢，會造成較長的停機時間。齒輪箱運行過程中長時間的偏載或瞬時的嚴重沖擊會導致齒輪的斷裂。同時，齒輪箱運行過程中會從縫隙中進入灰塵等雜質，造成潤滑油的污染，從而腐蝕齒輪表面造成點蝕。齒輪箱的不良工況可能導致齒輪間嚙合存在偏差，產生金屬微粒，與灰塵一起造成齒輪表面的磨損。

齒輪箱潤滑油經常用于軸承的散熱，過熱的潤滑油和寒冷天氣的交疊可能導致齒輪產生塑變。而局部升溫下的持續重載運行或齒輪油的變質對齒輪的腐蝕會導致齒輪膠合情況的發生。斷齒的發生有時出現在齒輪箱生命周期前期，由于不合適的負載或齒輪箱本身的剛性問題，新更換的齒輪箱可能不符合風電機組的運行要求。點蝕和磨損常發生在齒輪箱運行一段時間后，由于灰塵或金屬微粒對齒輪表面產生摩擦，使其出現損傷。膠合和塑變通常在運行較長時間后發生，在較差的工況下齒輪箱容易進入雜質污染潤滑油，發生材質和剛性變化。

（二）軸承故障

軸承故障是齒輪箱故障中發生頻率次高的故障類型。故障形式包括磨損、電流腐蝕、裂紋和斷裂、疲勞脫落。磨損會使軸承振動增大，產生噪聲，降低運轉的精度。電流腐蝕是由于電流穿過軸系，擊穿油膜產生電火花，對軸承進行腐蝕。裂紋和斷裂通常由于材料缺陷、熱處理不當或過載導致，未提前發現將造成整個齒輪箱的損壞。疲勞剝落則由于內外圈與滾動體的接觸面受到交疊變化的載荷產生疲勞造成，屬于生命周期后段的正常失效形式。定期對齒輪箱進行振動檢測可以提前發現故障，在軸承失效前及時處理，降低經濟損失。

（三）軸系故障

現場的風電機組經常出現齒輪箱主軸竄位的情況，這是由于齒輪箱進入灰塵導致的，位移量過大夠可能導致軸無法對齒輪提供有效支撐。同時，軸的角度可能存在不平衡和不對中。軸上的不平衡載荷可能導致軸彎曲，隨著形變量的增加，齒輪嚙合不再合理，導致斷齒的發生。不對中問題包括軸承與軸承座不同心和兩個軸承間不同心，二者同樣會導致角度上的變化，引起齒輪更大程度的位移，導致載荷過大。最后，軸還可能存在部件松動的問題，這些問題都可以用振動分析通過傅里葉變換、包絡譜等方式檢測出來，在出現較大損失之前及時更換。

（四）齒輪箱冷卻潤滑系統故障

齒輪箱冷卻潤滑系統的問題主要在于漏油、油壓過高或過低、潤滑油溫度高、潤滑泵噪聲大和齒輪油變質等。滲漏油主要發生在各類零件的連接部位，例如箱蓋與箱體的結合面，箱體與齒圈結合處，潤滑系統接頭處等。引起滲漏油的原因包括密封膠條選擇不當密封件選擇不當，管接頭松動等。密封件本身可能會存在的磨損，或雜物進入油道后造成堵塞，都會引起潤滑油滲漏現象。滲漏后會出現油壓過低的情況，而潤滑油本身溫度過低或粘度過大會導致油壓過高。同時在潤滑油變質和滲漏的情況下，軸承與齒輪間的摩擦力將會極度增大，產生過多熱量無法完全冷卻，會導致油溫過高的問題。冷卻器功率不足和溫控閥故障是入口溫度高的主要原因。而在運行時間較長的風電場站，可能由于灰塵對過濾器造成阻塞，潤滑油的流量較低，會導致內部油溫過高。在日常機組運行過程中，需要定期對潤滑油和濾芯進行更換與檢查，保證潤滑油的清潔程度，以保證齒輪箱良好的工況。

三、風電機組齒輪箱故障診斷方法

（一）基于振動頻譜的軸故障分析

齒輪箱的主要振動可分為兩類，即齒輪箱常規振動和非常規振動。在齒輪箱正常工作狀態中，軸振動頻率通常為轉頻。在主軸出現動、靜不平衡、力偶不平衡或懸臂轉子不平衡時，基頻幅值會增大，根據具體數值和相位可以判斷不平衡故障類型。通常在時域上就可以清楚的看到波形的異常，以頻域作為輔助也可以看到基頻或倍頻的能量增加。聯軸器平行不對中故障可以在復頻域上觀測到軸向傳感器測點一倍頻和二倍頻能量的升高，角不對中則可以觀察到徑向1、2、3 倍頻的幅值變化。而軸承不對中則是在相位相差90 度的四個點上的軸向振動出翔1、2 倍頻的能量增長。

（二）基于多元數據融合的軸承故障分析

在齒輪箱正常運行時，軸承的振動頻率通常集中于基頻和軸承滾動體數量的倍頻。但在故障發生時，齒輪箱中的損傷點會對頻率進行調制。在振動檢測中通常可以先在時域波形中觀察齒輪箱是否經受過較大沖擊，再對其進行傅里葉變換，通過帶通濾波器后，在頻譜圖中通找到能量較高的頻率點，根據經驗計算公式確定該頻率是否屬于外圈故障頻率、內圈故障頻率、滾動體故障頻率、保持架故障頻率之一。振動數據的采集通常使用位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，數據精度符合尼奎斯特采樣定理。通過振動總值、峭度指標分析法、頻譜分析法、時域波形分析法和包絡解調法定位齒輪箱軸承故障。

（三）基于振幅調制的齒輪故障分析

齒輪是齒輪箱的核心部件，通過嚙合來進行能量傳遞。在正常運行情況下，能量通常由低速軸傳到高速軸。根據齒輪轉速和齒數的不一致，可以判斷出是主動輪還是從動輪出現故障。

當齒輪出現破裂或折斷時，將會出現單倍嚙合頻率的多邊帶調制；當齒不對中時，將會以嚙合頻率的倍頻為中心進行調制；當出現齒輪嚙合間隙時，會產生小于嚙合頻率為主帶的頻率調制。

四、風電機組齒輪箱故障處理方法

齒輪箱軸系在運行狀態下可能出現軸不平衡、長期偏載、瞬時沖擊、異常振動等非正常工況，導致軸故障的發生。軸故障主要表現為磨損、彎曲變形和斷裂。其中，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”；軸彎曲通常為長時間偏載所致，常出現在軸承驅動端；軸斷裂極少出現，在高速軸在故障急停中受到沖擊過大時可能發生斷裂。處理方法通常由以下兩種。

（一）一般處理方法

在早期發現軸磨損故障時，軸磨損程度較輕，在單側磨損量小于0.3mm，可以采用涂鍍工藝進行修復。當磨損到達一定程度，過厚的鍍層容易脫落且成本昂貴，不再使用涂度工藝，選擇焊補后機加工處理等方法。傳統的焊補工藝熱輸入量大，易使軸出現變形，整軸加工精度難以達標，致使焊接熱應力集中，在軸的焊接區容易再次出現故障。從提升機組可靠性的角度出發，在費用允許的情況下一般建議更換新的軸組件。

（二）激光熔覆處理技術

激光熔覆技術是處理金屬件形變的主要方法之一，利用功率大、能量高的激光束瞬間放能的特點，對被加工件表面的金屬進行微熔，以此方式將補充的合金粉劑添加至融合點。加熱后金屬快速冷卻凝固，得到原件的上完全冶金結合的致密熔覆層。在齒輪箱高速軸修復中，激光熔覆處理技術存在以下優勢：①瞬時放熱，熱輸入量低，不會造成軸系形變；②不良組織少，不需要額外的熱處理；③合金融合性高，與原件結合強度高。

五、結束語

風力發電產業在我國已得到多年政策扶持，擁有大規模裝機容量，系統的日常運行維護將成為風電機組提質增效的關鍵條件。本文通過討論齒輪箱故障的檢測與處理方法，為現場運維人員提供技術性建議和指導，達到提高場站利用小時數，增加機組可靠性的目的。