风电机组齿轮箱部件失效故障分析与处理

2019-10-31周国栋杨健

风能 2019年6期

文 | 周国栋，杨健

近年来，我国风力发电大规模发展，随着风电机组的大批量装机投用以及投运时间的不断累积，各类故障也随之出现，主齿轮箱故障就是其中一类重要故障。主齿轮箱（下称“齿轮箱”，本文不讨论风电机组偏航、变桨等系统的齿轮箱）是水平轴式双馈风电机组的一个重要机械部件，是机组主传动链的主要组成部分。随着齿轮箱技术的发展，齿轮箱的可靠性得到提升，故障频次有所降低，但仍须停机消除齿轮箱故障，严重时甚至需将齿轮箱吊下塔架处理。因吊装成本高、处理时间长，严重影响风电场效益。

齿轮箱有多级平行轴式、一级行星加两级平行轴式、两级行星加一级平行轴式、差动行星轮系等多种形式，但均由齿轮、轴承、轴、箱体等基本结构组成。合理分析、准确判断、妥善处理齿轮箱故障，才能降低风电机组故障停运频次，缩短处理时间，减少风电场效益损失。当前，国内对故障的处理，尤其是对齿轮箱关键部件失效的处理，往往依赖于风电设备制造厂家工程技术人员的经验和现场判断，有些处理方案虽然能解决问题，但并不是综合考虑维修成本和停运时间的最合理方案。本文根据某大型风电场投运近十年来的故障实例，对风电机组齿轮箱部件失效故障进行分析，并提出一些故障处理的思路和建议。

齿轮箱及部件失效故障概况

某风电场一期安装61台东方电气1.5MW风电机组（型号：FD77C），总容量91.5MW，于2009年投入商业运行。该批次机组的齿轮箱由南高齿、重齿、二重三个厂家提供。其中，南高齿、重齿的传动形式均为一级行星加两级平行轴，二重的传动形式为复合行星加一级平行轴。

风电场投运近十年来，风电机组齿轮箱发生最多的故障为渗漏油和轴承温度高等，而影响较大的故障为重要部件失效。一期项目所用风电机组齿轮箱的重要部件失效故障有39例，包括传动轴齿面磨损、高速轴齿面裂纹、高速轴磨损、高速轴轴承“走外圈”等。按部件可分为齿轮箱轮齿故障、轴承故障、轴故障及齿轮箱体故障四类。

一、齿轮箱轮齿故障

（一）故障简析

根据统计，齿轮轮齿的损伤是相对比例最大的失效故障形式。其中，齿面接触疲劳（作用在齿面上的接触应力超过材料的疲劳极限而产生）是轮齿损伤的主要失效形式。在齿轮的使用过程中，硬齿面齿轮以疲劳剥落为主，规律可归纳为“点蚀—剥落—断齿”三个阶段。一对齿轮相啮合时，两齿面之间在接触处产生循环变化的接触应力σ。如果这种接触应力超过齿面材料的接触疲劳极限，齿轮工作一定时间以后，在齿面表层内部就会出现微观的疲劳裂纹。随着裂纹的蔓延与扩展，齿面金属表层将产生片状剥落形成麻坑，即“点蚀”。点蚀会造成齿面承载面积减少，接触应力迅速增大，不仅加剧齿面的疲劳破坏，同时也破坏了齿面啮合的正确性，甚至引起相当大的动负荷，直至齿轮齿面大片“剥落”，甚至因“断齿”而报废。

图1 齿轮齿面接触应力及故障示意图

除齿轮本身因素外，运行工况与齿轮失效也有较大关系。风电齿轮箱上承受的载荷变化较大，特别是由极限风速或湍流工况引起的系统过载以及由调距或机械制动等引起的瞬时载荷，尽管作用时间短，但对齿轮特别是齿面影响极大，易诱发失效故障。

齿轮箱润滑油不足或油质不良会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至于齿轮因过度减薄导致断齿。此外，润滑条件不良会导致齿面间的油膜形成不良，可能导致一个齿面的金属熔在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。因此，润滑条件不佳也是导致齿轮失效的重要因素之一。

（二）故障处理

齿轮轮齿故障一般都不局限于少量齿面，通常只能作更换处理。为了便于安装和保证配合精度，一般需更换齿轮轴组件，甚至当出现多对齿轮失效故障或齿圈断裂等严重故障时，可能需要更换整组齿轮箱。对于此类故障，要通过运行维护分析，及早发现异常、判断故障并进行处理，受影响损坏的范围和程度越小，处理难度越低。可采用内窥镜等进行深入检查，确定故障范围，制定部件更换方案，避免故障处理遗漏。

润滑油对齿轮的运转起着关键的作用，如润滑油系统出现故障导致油质劣化、含水、温度异常等，都有可能对齿轮箱机械部件造成不利影响，甚至直接诱发失效故障。因此，当发生齿轮故障时，应同时关注齿轮箱润滑油的健康情况。

二、轴承故障

（一）故障简析

由于安装不当、润滑不良、润滑介质污染和工作环境恶劣等因素，轴承会出现磨损、过载、过热、腐蚀、疲劳等情况，进而产生点蚀、裂纹、表面剥落等造成失效，最终导致齿轮箱损坏。如在低速输入端，载荷大且润滑不利，主轴轴承易发生损坏；而在高速端，由于发电机轴和齿轮箱高速轴连接中易出现角度偏差和径向偏移，因轴向和径向扰动力产生的变载荷长时间作用在高速端轴承上，造成轴承损坏。轴承的常见失效方式有磨损、保持架变形、滚珠脱落、电点蚀、腐蚀、压痕等。

（二）故障处理

轴承失效故障处理一般只需更换故障轴承，但由于往往伴随轴、齿轮等其他部件故障，需要深入检查，避免故障处理遗漏。对轴承故障问题，也应当关注齿轮箱润滑油的情况，上文已提及，这里不再赘述。

三、轴故障

（一）故障简析

齿轮箱轴系在很多情况下会出现轴不平衡、长期偏载、瞬时冲击、异常振动等非正常工况，导致轴故障。轴故障主要表现为磨损、弯曲变形和断裂。其中，轴弯曲故障一般为长时间偏载造成，常出现在输入端；轴断裂极少出现，高速轴在故障急停中受到冲击过大可能发生断裂；轴磨损是最为常见的故障，在高速轴上较为频发，主要是由于轴与安装在轴上的轴承发生相对运动，俗称轴承“走内圈”。

该风电场一期项目所用的齿轮箱经过5年以上的运行周期，出现机械部件磨损、老化等故障。其中，某型齿轮箱高速轴轴承“走内圈”故障较为频发，20台同型号齿轮箱中相继有8台出现该故障，均在高速轴输出端。经解体检查分析，高速轴轴承“走内圈”的主要原因是轴承并紧螺母上只装配有一只锁紧螺栓，在运行中因锁紧力不够导致其受振松动。高速轴齿轮为斜齿轮，运行过程产生的一部分轴向力需由高速轴轴承承担。以轴承内圈为分析对象，受力示意图如图2所示。

图2 轴承内圈受力示意图

轴承内圈将高速轴的轴向力传递到轴承滚珠，轴承内圈受到滚珠的反作用力F、轴的摩擦力f，以及并紧螺母预紧对轴承内圈的摩擦力N三个切向力共同作用，其中F＝f＋N。当切向作用力F一定时，N越小，f越大；当并紧螺母无法锁紧轴承时，N＝0，F＝f；当F超过最大静摩擦力fmax时，轴承内圈与轴出现相对轴向位移，产生动摩擦，F的方向会因工况发生变化，轴承内圈也会有反向位移，如此往复会使轴承内圈与轴间产生动摩擦而磨损，因两者配合过盈量较少，径向压力P减小，由于fmax正比于P，磨损逐渐加剧。

同时，由于并紧螺母松动，预紧力消失，轴承稳定性随之降低，轴承振动增大，磨损加剧。此外，过大的振动和窜动会加剧轴承发热，轴承内圈受热膨胀将导致其与轴径的过盈量进一步减少，配合过盈不足也会加剧轴承与轴的这种动摩擦，最终导致轴承“走内圈”故障。

对风电场所用的8台故障高速轴进行修复处理。将其余12台同型号齿轮箱高速轴抽出检查，对轴承并紧螺母和螺母锁紧螺栓复紧，并再加装一根锁紧螺栓，防止并紧螺母松动。修复高速轴时，也全部按此措施处理。

（二）故障处理方法

1.一般处理方法

对于轴磨损故障，如早期发现，轴磨损程度较轻，一般单侧磨损量不大于0.3mm，可采用涂镀工艺修复（工艺成熟，修复效果也较为可靠）。但当磨损到一定程度，因成本上升且镀层易脱落，涂镀工艺不再适用，只能采用其他方式进行修复，如采用焊补后机加工处理。

传统的焊补由于热输入量大，轴易发生变形，整轴加工精度遭到破坏，即使合理控制工艺，尽可能避免发生变形，焊接热应力集中的问题仍然难以避免，运行中在轴的焊接热影响区易再次出现故障，甚至诱发断轴。从齿轮箱整体的安全可靠性考虑，齿轮箱厂家一般建议更换新轴组件，但费用也较高。

2.激光熔覆处理技术

激光熔覆技术是激光在机械加工领域的主要应用之一。它是利用大功率、高能量激光束聚焦能量极高的特点，瞬间将被加工件表面金属微熔，同时使零件表面预置或同步自动送置的合金粉剂完全熔化。激光束扫描后合金快速凝固，获得与零件基体完全冶金结合的致密熔覆层。与其他传统加工技术相比，激光熔覆技术应用在修复齿轮箱高速轴磨损时，有以下几个优点：

（1）熔覆过程中热输入量低，高速轴不会变形；

（2）激光熔覆时产生的不良组织很少，不需要做热处理来消除；

（3）激光熔覆的材料与基材的融合性能好，结合强度高；

图3 高速轴轴承档出现较严重磨损

表1 两种轴修复方式成本对比

（4）熔覆过程自动操作，质量稳定。

（三）故障处理实例

该风电场8台发生齿轮箱高速轴磨损缺陷的风电机组中仅有1台磨损程度较轻（单侧磨损最大0.25mm，采用涂镀工艺修复），其余7台的磨损量均在1mm以上，最大的单侧磨损量达2.8mm。齿轮箱厂家建议更换全部高速轴组件，但结合缺陷情况，并考虑更换成本，风电场未采取厂家建议，而是将磨损严重的高速轴经无损探伤确认基材无缺陷后，送至专业的激光熔覆厂家进行修复。

修复高速轴回装齿轮箱恢复运行后，通过持续状态跟踪，确认设备运行状况平稳，振动、温度等各项参数指标均较修前有明显改善，全部在正常值范围内。定期开盖检查也未发现修复高速轴轴承档再次发生“走内圈”故障，修复效果优良。表1为两种方式的成本对比。该风电场利用激光熔覆修复高速轴，共节省检修材料费用54.4万元，经济效益显著。

四、齿轮箱体故障

（一）故障简析

齿轮箱体失效故障包括箱体变形、局部裂纹、箱体磨量小，具有常温焊补、基体不变形、组织不改变等优点。其基本原理为将存储于电容器中的电能在瞬间释放于黑色金属材质工件和焊补材料的连接处，电流热效应作用于两者接触电阻使其迅速熔化结合，其主要工艺特点如下：

（1）小范围短时间发热（一般受热点小于1mm3，时间不超过1ms），大部分热量都瞬间消散。焊补过程中焊补点附近基体都处于常温状态（基体温升一般小于20℃），几乎没有基体变形、组织改变、焊接应力集中、焊接裂纹、焊接硬化、焊点退火等不良影响，基本不影响机械加工性能，不影响淬火、调质等热处理工艺，可用于铸件焊补，焊补后可进行后续机加工。

（2）每个焊补点为补材与基材熔化后的再结合，在焊补点处结合牢固、致密，熔接强度高，不会发生脱落；修复精度高，补焊后只需少量打磨、抛光，后处理工作量小，修复后不留痕迹。

（3）设备设施简单，适用范围广泛，可在狭小空间作业，能够满足多种金属材质的修补需求。

冷熔脉冲焊的几个工艺特点正好适用于齿轮箱体轴承内孔的焊补，考虑修复的可靠性和现场的可操作性，认为冷熔脉冲焊、焊后现场手动打磨为最合适方案。

（三）故障处理实例

1.概述

某风电场一期项目所用的61台齿轮箱中，共有21台存在中速级或高速级轴承“走外圈”现象。对于初期发现的齿轮箱箱体轴承孔磨损故障，齿轮箱厂家都要求下架维修或者更换新齿轮箱，但齿轮箱上、下架工作量大，维修成本高，风电机组也因此长时间停运，更换新齿轮箱的成本则更高。综合各方面考虑，风电场管理方决定自主对齿轮箱轴承孔磨损较严重的1～12#风电机组齿轮箱进行机舱内揭盖更换中速级和轴承孔修复处理，轴承孔修复全部采用冷熔脉冲焊修复手段，并跟踪后续运行情况。

2.工艺流程及注意点

（1）解体揭盖，现场清理

停运风电机组并做好安全措施后，对机组进行解体揭盖（妥善保存拆卸部件），必要时拆除周边的线缆、探头等，以确保现场有一定的空间满足运维人员实施焊接、打磨工作。应注意保护好箱体的配合面和密封面，防止其受到损伤。

（2）齿轮箱轴承孔检查，磨损情况测量

清理轴承孔表面，检查齿轮箱轴承孔表面情况，测量各档内径尺寸，检查磨损程度和范围，确定补焊区域及合理损等，其中较常见的是齿轮箱轴承装配孔内圆磨损，表现为轴承“走外圈”。有些场合将此类故障归为轴承故障，但从部件失效的角度来说，轴承“走外圈”直接造成齿轮箱体磨损失效，故在此归为齿轮箱体故障。它一般是由于轴承选型、安装、调整不当，或者润滑不良造成，齿轮箱体与轴承外圈之间发生相对运动产生摩擦，从而引起箱体内孔磨损，这又加剧了箱体与轴承外圈之间的相对运动，最终导致轴承“走外圈”。此外，齿轮箱体变形也可能造成轴承“走外圈”。轴承箱体一般为铸件，材质硬度远小于轴承外圈，磨损主要发生在箱体上。箱体轴承孔磨损量大会导致齿轮传动偏载，引发齿面断裂等其他部件失效故障，因而，此类故障须尽早发现并处理。

（二）现场修复方案

对于齿轮箱箱体轴承内孔磨损故障，即使是早期磨损程度较轻的故障，处理起来也十分困难。之前业界的普遍做法是将齿轮箱整体下架维修，但该方法工作量大，吊装费用成本高昂，且风电机组因此停运的时间长，风电场生产效益损失较大。

具体分析现场齿轮箱故障情况，在有效的运维管理和分析诊断基础上，及早发现齿轮箱箱体轴承孔磨损缺陷，如果磨损范围有限，理论上，只要找到基准面，利用修复手段恢复轴承孔原始尺寸，保证形位公差，就能使齿轮箱轴承恢复原同心度运行。本文以在机舱内现场修复轴承内孔磨损为目标，初步提出了轴承座镶套、激光熔覆、高性能分子合金修复材料填充修复、冷熔脉冲焊四个实施方案。

轴承座镶套是常规的机加工处理手段，对箱体磨损内圆加工，再加工一个内孔与齿轮箱轴承孔原始尺寸一致的衬套，镶配到齿轮箱体上。该工艺成熟可靠，齿轮箱下架返厂维修一般都是采取镶套处理。根据上文介绍，激光熔覆技术的加工效果可靠。但两个方案都需要在机舱现场狭小的空间里架设机加工机具，经空间尺寸校核后，认为机具现场安装就位困难，因此，上述两个方案都不可行。

高性能分子合金修复材料填充修复方案属于新工艺，修复材料完全固化后硬度较高，可以起到在磨损区域紧密填充间隙的作用，一般静态部件修复都能取得较好效果。但由于风电机组运行中受力情况复杂，轴承会受到复杂交变、冲击载荷作用，填充材料存在破裂隐患。一旦发生破裂，齿轮箱体轴承座将再度失效。因此，出于可靠性的考虑，也未采用该方案。

冷熔脉冲焊不同于常规电弧焊，由于单位时间输入热的补焊方案。需要注意的是，齿轮箱轴承孔表面在高接触压应力的作用下，经多力循环后，局部可能产生疲劳磨损，在表面可看到少量麻点或凹坑。实际上该区域表面已形成疲劳层，基体强度显著下降，应在表面清理时打磨去除，否则会直接影响修复后的基体强度。表面初步处理完成后，可进行必要的无损检测，避免遗漏隐性缺陷，影响修复质量。

（3）实施冷熔脉冲焊

由专业人员采用专用的焊接机具进行冷熔脉冲焊，一般选用强度高、塑性好且耐腐蚀的镍基焊材。焊接是整个修复过程的关键，应注意补焊速度不宜过快，关注基材温升情况，焊点要整齐致密，避免人为原因造成气孔缺陷。

（4）制作研磨、检测工具

根据齿轮箱轴承内孔尺寸制作样板和芯棒，用于焊后打磨和检查。可根据轴承外圈配合尺寸，预先准备好样板和芯棒，以缩短风电机组停运处理时间。

（5）手工打磨加工，现场检测

利用准备好的扇形样板，对补焊区域进行手工打磨，可使用电动磨削工具，但必须控制好打磨量，避免重复处理。采用透光法进行现场检测，完成粗加工，基本恢复齿轮箱轴承内孔尺寸。

（6）手工研磨，恢复轴承孔的尺寸精度

利用加工好的芯棒，对齿轮箱轴承孔进行研磨，用蓝油检查接触情况，恢复轴承孔的尺寸精度。芯棒应便于手扶或握，尺寸不宜过小，避免偏斜，也可先加工扇形样板进行研磨。

（7）对轴承更型，装配防外圈跟转轴承

新装配中速级轴承选用同型号外圈带防转槽轴承，并在箱体轴承内孔相应位置打孔装配防转销。

（四）修复后运行情况及后评估

1～12#风电机组齿轮箱于2015年6月完成修复并恢复运行，修后的运行情况表明，齿轮箱运行状况平稳，振动、温度等各项参数均较修前有明显改善，全部在正常值范围内。定期开盖检查也未发现修复轴承孔再出现轴承“走外圈”现象，证明了冷熔焊修复齿轮箱箱体轴承孔方案的可行性。该风电场后期另有4台同类型故障齿轮箱也采用该方案修复，全部连续稳定运行至今未发现异常，修复可靠性得到证实。齿轮箱厂家也认可了该处理方案，并效仿该方案在其生产的风电机组齿轮箱同类型故障在线维修中使用。

由表2可知，在机舱内修复1台齿轮箱箱体轴承孔相比1台齿轮箱下架维修，可大幅节省维修费用，同时避免了大型部件吊装过程中存在的安全风险。

图4 箱体轴承内孔磨损情况示意图

表2 两种箱体修复方式成本对比

对于这5台箱体轴承内孔磨损较严重的齿轮箱（齿轮箱中速级受影响已损坏），如根据齿轮箱厂家意见，采用全部下架旧齿轮箱、更换新齿轮箱的方案处理，保守统计共需625万元。而采用冷熔脉冲焊在机舱内修复箱体轴承孔，并更换全套新中速级共产生费用125万元，节省费用500万元。此外，在机舱内修复还大大缩短了故障停机时间，提高了风电场生产效益。增加的效益与风力条件有关，此处不再进行估算。