探析风力发电机组齿轮箱常见的故障分析及检测方法

胡殿昊　李佳明　高伟

[摘要]目前，齿轮箱故障在风力发电机组故障占据着很大部分，齿轮箱作为双馈型风力发电机组的核心部件，其损坏不仅会大大增加维修费用、运输费用和吊装费用，还会带来巨大的电量损失。因此，对风力发电机组齿轮箱常见的故障进行分析和检测，对提前预防故障具有非常重要的现实意义。据此本文对风力发电机组齿轮箱常见的故障及检测方法进行了具体分析。

[关键词]风力发电机组；齿轮箱；故障分析；检测方法

一、风力发电机组齿轮箱常见的故障

风力发电机组齿轮箱在正常运转过程中，受齿面啮合时承受的荷载不均匀和轮齿啮入、啮出的冲击，都会直接导致故障。据此，笔者对一些常见的故障进行了具体分析。

（一）胶合

胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜被破坏，导致接触齿面金属熔焊而撕落齿面上的金属现象。导致其产生的原因主要是因为在重载和高速传动下，齿轮箱在齿面高温啮合区产生的润滑不良或者干涩，导致啮合的齿面熔焊在一起。

（二）点蚀

在齿轮实际切合的过程中，受脉动力和重载荷的作用，齿面深处会产生循环变化的剪应力，在超过轮齿材料的疲劳极限时，齿面的接触面就会产生疲劳裂纹，从而导致齿面细小金属片的剥落，形成小坑，即为点蚀，更为严重时，还会导致齿面形成大块金属连片脱落。

（三）断齿

轮齿折断大多情况下，是由根部细微裂纹在周期性应力作用下逐步扩展形成的，齿轮在运作过程中，出现严重的冲击、偏载或局部应力过大等问题，都会导致断齿现象发生。

（四）渗漏油

渗漏油是齿轮箱传动系统中常见的故障，漏油会对齿轮和轴承等的润滑效果造成不良影响，导致各运动零配件之间的摩擦加剧，从而减少零件的使用寿命，更有甚者会直接导致齿轮箱不能正常运作。在设备维护工作中，齿轮箱渗漏油的主要原因有很多，即密封件损坏或安装问题，导致接合面密封不严：相对运动的零件尺寸配合间隙过大，或由于长期运动磨损，导致间隙过大；箱体铸造存在气孔和沙眼等缺陷：工作温度过高，润滑油管变形或存在裂缝，导致油管漏油。

（五）油温高

齿轮箱油温高是由于风力发电机组长时间处于满发状态，润滑油因齿轮箱发热而温度上升超过设定值。一般齿轮箱油温高是由多种原因共同导致的，也可以是单一问题导致。总之，造成油温高的主要原因有很多，即齿轮箱油冷却回路堵塞、阀件损坏、散热器通风不畅；齿轮箱达到一定疲劳极限，效率下降严重超出冷却系统的设计极限；机舱内部温度较高，冷却效果急剧下降；润滑油润滑效果严重缺失，导致齿轮啮合效率下降，发热量增大；轮系布置不合理，轴系对中效果不好，导致额外应力集中；温度传感器及传输回路本身问题或者其他设计缺陷。

（六）齿面磨损

齿轮的磨损部位为渐开线工作工作面、齿的啮合处以及齿轮两端面。齿轮齿面磨损一般主要分为四种情况，其一是由接触表面上的金属以一定的速率缓慢的损耗，导致正常磨损或磨光，在预期寿命内，将不会对齿轮的正常使用造成影响。其二是受长期重负荷作用的影响，齿轮发生破坏，属于中度磨损，是金属的损耗，这种磨损会严重影响齿轮的使用寿命。其三是齿面的损坏，很容易导致齿轮的使用寿命大大降低，并严重影响其平稳性。其四是在高速运转过程中，一些细颗粒进入齿轮的啮合中，导致损坏。

（七）轴承损坏

在运转过程中，轴承长期受重载和交变载荷的影响，在交变冲击作用下，轴承很有可能造成各种损坏。同时，安装偏心、润滑不良和油膜震荡等问题，都会导致轴承发生故障，主要的表现形式是轴承外圈锈蚀、内圈磨损、滚动体故障等等。

二、风力发电机组齿轮箱常见故障的检测方法

大多数情况下，齿轮箱发生故障都是能够采取相应的合理手段加以解决、甚至避免的，根据现场实际的运行经验和国内大型风机厂家技术革新，可以采取以下有效措施，对齿轮箱缺陷的发生进行预防，并检测齿轮箱的运行状态和劣化趋势。

（一）安装离线式滤油装置

风力发电机组的齿轮箱润滑油主要污染包括颗粒物、水和氧化产物等污染物，其对润滑油和设备本身，会大大增加齿轮和轴承疲劳、磨损等风险。风机齿轮箱在运行过程中，清洁度需要符合ISO17/15/12的标准，污染程度如果超出标准，就必须及时进行新油更换，或者使用高精度的滤器，以此满足相关要求。风力发电机组的齿轮箱附带线过滤器，精度大多在10-50μm。但是一般中型载荷的油系统中，10μm以上的颗粒物只占了10%左右，大约70-80%的颗粒物大约在1-5μm之间。因此，齿轮箱附带线的过滤器根本不能起到有效的保护作用，这些小颗粒物进入齿面和轴承间隙中，就会知道导致齿轮和轴承的磨损，甚至失效。为了满足风力发电机组的润滑油清洁度要求，加强齿轮系统运行的可靠性，可以使用高精度、功能齐全的离线精滤器，以此有效吸附颗粒物、水分和氧化物，确保润滑油的清洁度维持在良好水平，从而延长油品和机械設备的寿命。

（二）合理使用故障诊断技术

故障诊断技术始于机械设备，主要包括监测设备的运行状态，在发生异常情况后，分析和诊断设备的故障。风力发电机组的设计标准GB-18451.1《风力机安全要求》中进行了明确要求，即风力发电机具有属于自己的一套独立于控制系统外的保护系统，保护系统在风力发电机超速、过载和过分振动等情况下起作用。目前，在市场上技术比较成熟的齿轮箱故障诊断技术，就是风电机组振动状态在线检测系统，能够警报和预测设备的故障，并有效评估机组机械传动部分运行状态，从而避免缺陷被扩大化，这对设备的维护和检修工作具有重要的现实意义。

（三）建立完善的维护检修标准

根据GBT1907-32008《风力发电机组齿轮箱》的相关规定，即为确保齿轮箱正常运行，必须随机监控和定期检查齿轮箱的工程。在运转三天内进行首次检测，在试运行1000h后，再进行复测，在运行6个月后，再进行检测，随后按照规定进行间隔性检测。定期对齿轮箱工作温度、清洁度、噪声、振动等级、轴承及齿轮的工作情况、油液及整体运行情况等进行检查。定期清理滤清器，更换润滑油。在平时，齿轮箱的维护主要是检查和处理整体外观、附件、电气接线和润滑油状态等。对齿轮箱进行定期维护，需要借助器械、仪表和委托检验的方式进行维护，关键做好齿轮箱的螺栓力矩检查，轴系对中校核和润滑油取样化验，特别要根据有化验的数据参数建立油品分析台账，建立横向和纵向分析机制。有条件的企业可以辅助内窥镜检查和振动分析仪的测量，加强齿轮箱内部啮合部件运行工况的检查和测量。

三、结语

综上所述，齿轮箱是风力发电机组的重要机械传动部件，由于运行工况比较复杂，交互载荷变换十分频繁，零件数量繁多，运行检测数据过大，因此必须切实结合常规检测维护手段和新技术，全面预防和判断设备故障发生的趋势和劣化的可能，从而确保风机发电机得以正常运行。