风力发电机组齿轮箱失效研究*

刘彦齐

（中船重工海为（新疆）新能源有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

风能是一种可再生的绿色能源且储量丰富，是目前最具商业化发展前景的能源。我国10m 高度层风能资源总储量约32.26 亿kW。据统计，2018 年，我国风电新增并网容量2033 万kW，累计并网1.84 亿kW。随着我国风电产业技术创新能力不断提升和速度不断加快，目前已具备兆瓦级风电整机自主研发能力，并形成了完整的风电装备制造产业链。但是随着制造企业新产品研发和迭代的加速，风电机组的技术和质量存在的风险不断上升。随着风电机组运行时间的增长，风机技术和质量问题也逐渐随着风机故障的增多而暴露。据统计，齿轮箱失效故障约占风机总故障的40%，而齿轮箱作为双馈型风电机组核心部件，其损坏所带来的设备检修、吊装运输及电量损失是非常巨大的。所以，对风电机组齿轮箱的失效进行分析研究和提前预防其失效有着重要意义。鉴于以上情况，文章结合新疆某风电场的实际运行情况，对其机组齿轮箱出现的失效进行详细分析和研究。

1 风力发电机组齿轮箱概述

风力发电机组齿轮箱位于风轮和发电机之间，主要功能是将风轮在风力作用下产生的动能传递给发电机，并将叶轮的低转速提高到发电机所要求的的高转速。新疆某风电场选用HZ87L-2000 双馈式风力发电机组，其主齿轮箱型号为FL2000H。齿轮箱主要由箱体、太阳轮、行星轮、行星架、轴、齿轮、齿轮轴、轴承等零件组成，其采用了第一级为NGW 型行星齿轮传动型式，第二、三级采用了平行轴圆柱齿轮传动形式。齿轮箱的第一级为行星架输入，内齿圈固定，太阳轮浮动。此级的行星架与输入轴设计为一体，太阳轮输出端用鼓形齿与第二级安装有齿轮的主动轴内花键联结。第二级的主动齿轮用过盈配合联接在传动轴上与被动齿轮轴啮合，安装在第二级被动齿轮轴上的第三级传动的主动大齿轮与输出轴设计为一体的小齿轮啮合，将扭矩传出。齿轮箱结构如图1 所示。

齿轮箱主要技术参数：额定输入功率2205kW，额定输入转速17rpm，额定输出转速1755rpm，传动比103.02，齿轮箱总重约23000kg，运行环境温度-30 ℃～+50 ℃，外形尺寸约2495mm×2880mm× 2000mm（长×宽×高）。

图1 齿轮箱剖面简图

2 风力发电机组齿轮箱失效情况

新疆某风电场选用25 台2.0MW 风机，2012 年11月首台机组并网运行。风电场自2015 年2 月开始出现齿轮箱失效情况，截至2018 年11 月共出现13 台/ 次齿轮箱失效（更换齿轮箱5 台、齿轮箱塔上开箱维修8 台/次）。具体齿轮箱失效形式：齿轮箱行星轮贯穿性裂纹4 台、行星架前轴承滚子磨损1 台、高速轴磨损6 台/次、箱体螺栓断裂2 台等。风电机组累计停机5816.74h，造成电量损失653.0896 万kWh,电量直接经济损失333.076 万元。

3 齿轮箱失效原因分析及结论

通过对风机监控数据及各项风机记录资料的调查确认，齿轮箱失效前运行正常、各项参数基本稳定、设备定期检修维护工作正常开展，无明显异常情况。通过对齿轮箱进行现场拆解或返厂开箱检查测试，进一步分析查找失效原因。

（1）高速轴磨损失效分析。2015 年8 月至12 月连续出现6 台高速轴磨损，失效情况基本一致：齿轮箱高速轴轴承温度瞬间超限，高速轴输出端轴颈、端盖、甩油环等组件磨损烧毁严重，高速轴后轴承外圈与挡油环静接触面有明显周向磨损但轴承内圈和滚珠正常，高速轴齿面、高速轴其余轴承以及锁紧螺母正常。失效原因分析：从拆解情况可看出高速轴端盖、甩油环、挡油环和轴承均有不同程度的损伤，甩油环与高速轴摩擦导致高速轴轴颈表面严重拉伤、输出端盖磨损变形表面烧糊，挡油环与轴承静接触面周向磨损严重。但轴承外圈和挡油环之间有内螺纹圆柱销周向定位，为静接触，不应出现磨损。在检查输出端盖定位销尺寸室发现销孔深度比图纸设计要深约3mm，若定位销在运行中退出，则定位销起不到周向定位的作用。失效结论：输出端盖定位销孔尺寸加工有误，在高速运行过程中定位销退出未能起到定位作用，导致轴承外圈与挡油环摩擦并产生大量热量并引起高速轴窜轴等问题。

（2）齿轮箱箱体主螺栓断裂失效分析。2015 年及2016 年共出现2 台箱体螺栓断裂失效情况：齿轮箱油位低，观察孔盖结合面漏油，后箱体与内齿圈多颗双头连接螺柱断裂。失效原因分析：将断裂的螺栓进行检测，从宏观观察发现各螺栓断裂形式及断口形貌一致，断口均存在明显的光亮区（疲劳区）和粗糙区（瞬断区），断口边缘螺纹底部有微裂纹而非断口处的螺纹底部无微裂纹等；从化学成分分析各螺栓材料符合42CrMo 的技术要求；从金相组织检测结果看夹杂物检测未脱碳深度均满足相关标准要求；从硬度测试检测看，螺栓满足10.9 级螺栓标准要求硬度。失效结论：齿轮箱工作时，运行过程中风况不稳定、无规律，风速变化快，齿轮箱不可避免地发生振动。伴随齿轮箱的运转，部分螺栓出现轻微松动现象，螺栓在反复外力作用下，产生微裂纹，裂纹逐渐扩展，直至螺栓最终断裂失效。

（3）行星轮贯穿裂纹失效分析。自2016 年来，齿轮箱已出现4 台行星轮贯穿性裂纹，失效概况基本一致，但原因不尽相同：风机振动在线监测系统报警，行星轮开裂，其他部件正常。

失效齿轮（F7361、F7372）原因分析：从宏观断口观察发现断口呈明显的疲劳断口，裂纹源位于行星齿轮卡簧槽位置，卡簧槽内存在明显加工刀痕，粗糙度远超设计要求。对材料进行理化检测，行星轮轴承的材料、金相组织、硬度、齿面、齿端和齿根硬化层深符合图样技术要求。失效结论：行星轮开裂是卡簧槽粗糙度不合格及尖角效应，在卡簧槽处形成应力集中区域，行星轮运行过程中在卡簧槽部位应力过大，致使在卡簧槽尖角部位出现微裂纹，并在后续运行过程中裂纹逐渐扩展，直至行星轮开裂。

失效齿轮（#7366）原因分析：从宏观断口观察发现发现行星轮有较明显的疲劳辉纹，疲劳源区位于行星轮的内部。从行星轮的内壁上观察，可看到疲劳源处有明显的磨损拉伤积瘤疤痕。而磨损痕迹为周向磨损，即行星轮内轴承外圈与行星轮内孔在运转时发生相对滑动，长时间运行后，磨损加剧，犁痕加重形成沟槽。沟槽即为应力集中点和裂纹源，扩展后致使整个齿轮断裂。失效结论：该行星轮内孔实际与轴承配合较松，造成运行过程中轴承滑动，从而导致内孔壁磨损严重，进而引起行星轮裂纹。

失效齿轮（#7360）原因分析：轮齿齿根部有明显的裂纹纹路，为裂纹起始位置，一直向内延伸至行星轮内孔表面。通过查看齿根裂纹源位置，可发现齿根处存在磨削凸台，裂纹张裂的尖锐处也刚好位于磨削凸台上，初始裂纹出现在轮齿危险截面处。轮齿啮合时，受弯曲应力作用最大的凸台位置会由于应力集中而最先裂开形成尖锐部位，随着运行过程中应力进一步增大而向齿轮本体内部张开型扩张，最终形成裂纹。通过材料检测确认行星轮的材料、硬度、金相组织均满足要求，硬化层深符合技术要求，行星轮的开裂并非是自身材料问题。失效结论：行星轮齿根处存在磨削凸台，从而在齿根凸台危险截面处形成应力集中区域产生裂纹，在后续运行过程中裂纹扩展，最终导致行星轮开裂。

（4）齿轮箱失效结论。从以上齿轮箱失效分析情况来看，齿轮箱的设计方法、加工工艺、设备材料质量及后期维护保养等均无问题，齿轮箱失效主要还是由于设备生产过程中的零部件加工精度不满足要求导致，属于产品质量问题。

4 齿轮箱失效预防处理

大部分的齿轮箱失效和缺陷都是可以采取合理有效的手段预防和避免，根据现场实际运维经验以及风机生产制造企业的技术反馈，可以从以下几点对齿轮箱失效进行预防处理并监测齿轮箱劣化趋势和运行状态。

（1）强化设备质量监督机制。建立覆盖设计、生产、运行全过程的质量监督管理机制，完善风电机组运行质量监测评价体系，定期开展风电机组运行情况综合评价。完善风电机组关键零部件、施工装备、工程技术和风电场运行、维护、安全等标准，强化落实标准执行。对已出现失效情况的同批次产品制定技改方案和技改计划并按期完成技改工作。

（2）建立良好的维护检修标准。为保证齿轮箱正常运行，必须对齿轮箱进行随机监控和定期检查。定期对齿轮箱工作温度、清洁度、噪声、振动、轴承及齿轮、油液及整体运行情况等进行检查；定期清理润滑油滤芯和更换润滑油。重点要做好齿轮箱的螺栓力矩检查、轴系对中、润滑油取样化验，并根据化验的数据参数建立油品分析台账。齿轮箱内部检查可以辅助内窥镜等器械，强化齿轮箱内部啮合部件运行工况的检查。

（3）使用振动在线监测技术。风电机组应具有一套独立于控制系统之外的监测保护系统，目前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在线监测系统，其能够对风机传动系统中的主轴、齿轮箱、发电机振动数据和转速数据实时监测，对风机劣化趋势、异常工况进行预警及诊断，实现对风机早期故障征兆的及时捕捉、准确预判、诊断和预知性维护。

5 结束语

齿轮箱作为双馈型风电机组核心部件，因其运行工况复杂，所以对产品质量有严苛的要求。鉴于这一情况，相关方应建立覆盖设计、生产、运行全过程的质量监督机制，建立良好的维护检修标准并重点做好齿轮箱螺栓力矩、油品化验、轴系对中等工作，同时采用振动在线监测系统等新技术手段，有效的预判和诊断风机故障并开展预知性维护。