风电机组齿轮箱常见故障及防护措施

2023-02-07郭阿童

仪器仪表用户 2023年10期

郭阿童

（国电电力湖南新能源开发有限公司，长沙 410000）

近年来，国内风电能源产业得到快速发展，风电装机容量不断增加，年发电量也不断增加，保障了国内电力稳定供应。由于风电场运行环境比较恶劣，随着投运时间的累加，风电机组各类故障也开始出现，齿轮箱故障就是其中一类常见的故障。齿轮箱是风电机组的重要机械部件之一，是机组主传动链的重要组成部分，主要作用是将风轮的动力进行增速后传递给发电机[1]。齿轮箱多是安装在塔顶机舱的狭小空间内，长年受极端温差、振动及变载负荷等多种因素影响，易出现故障，如果故障较大需要下塔维护的话，不仅维修费用较高，而且维修周期长，影响风电场的经济效益。因此，对齿轮箱常见的故障进行分类汇总，并利用科学的防护措施降低其故障发生率，对于风电机组的安全稳定运行具有重要的意义。

1 风电机组常用的几种齿轮箱结构形式

在当前国内风电机组中，常用的齿轮箱结构主要有三级平行轴圆柱齿轮传动、一级行星齿轮加二级平行轴圆柱齿轮传动，以及二级行星机构串联轴传动等结构形式。三级平行轴圆柱齿轮的传动结构比较简单，为上下对开的齿轮传动，拆装起来比较便捷。该齿轮箱的输入轴直接和叶片的轮毂连接在一起，叶片的转动带动低速大齿轮旋转，一级齿轮轴将扭矩增速后传递给二级增速齿轮，通过二级齿轮增速后传到输出轴，从而带动发电机工作。该结构的箱体体积及重量较大，在兆瓦级的风电机组中应用少。一级行星齿轮加二级平行轴圆柱齿轮传动多在兆瓦级的风电机组中应用，该齿轮箱的结构比较紧凑，低速齿轮扭矩大，行星架和机组主轴连接在一起，叶片旋转的动力由行星轮传递给太阳轮，再利用花键连接传给低速轴，通过中间齿轮的传动将动力传到输出轴，结构采用行星传动，太阳轮的质量小、惯性小，第二级和第三级的齿轮扭矩小，减速比分配均匀，传动效率比较高。二级行星机构串联轴传动是一级行星架与主轴连接，扭矩传递到太阳轮，再通过第二级的行星轮传递到串联轴，带动发电机工作。该箱体结构尺寸比较小，但是结构较为复杂，制造精度要求高，适用于结构紧凑的动力传动。

2 风电机组齿轮箱主要故障

2.1 齿轮损伤

齿轮损伤是齿轮箱故障中发生最多的一种，某风电场2021年齿轮箱故障共计发生11次，其中6次和齿轮损伤有关。齿轮损伤主要包括齿轮点蚀、磨损、断齿等多种形式，在实际运行中发生较多的是点蚀[2]。点蚀产生的原因是齿轮在运转过程中，齿轮的啮合面会产生接触应力，这个应力随着机组载荷的变化而不断变化。如果啮合面的接触应力长期超过齿轮材料本身的疲劳极限，齿轮内部会出现微观裂纹，裂纹会随着机组运行时间增加而逐渐蔓延，最后齿轮的表面就会出现麻坑，即所谓的点蚀。齿轮面出现点蚀后，齿轮面的承载面积就会减少，并增加齿轮的接触应力，加剧齿轮的疲劳损伤，有可能导致齿面脱落。磨损多是由于齿轮润滑油的清洁度差、黏性差、润滑不足等因素导致的。断齿产生的主要原因是极限风速导致的系统过载，紧急制动或者是工况变化引起的瞬时载荷等，以及轴承损坏、较大硬物的冲击等。另外，齿轮材料本身的缺陷（强度不够、热处理工艺不达标等），长期磨损导致的齿轮减薄等也是造成齿轮断齿的主要因素之一。在实际运行中，行星级齿轮、中间级齿轮等出现断齿故障后，多数都需要拆卸后下塔维修。

2.2 齿轮箱油温高

齿轮箱油温高，主要是由于油温监测回路故障、齿轮箱油冷电气控制回路故障、油冷执行回路故障等原因导致的。引起油温监测回路故障的主要因素有：外界环境的干扰（雷击、电磁干扰、柳絮堵塞散热器通风口等）、温度监测模块损坏、油温传感器损坏、监测回路断线或松动（连接线固定螺栓松动、绝缘破损、导线连接处断股等）。齿轮箱油冷电气控制回路的故障现象为控制回路指示灯不亮、常闭点断开、常开点闭合等，主要原因是油冷电机泵或散热器的控制接触器线圈出现接地、断线、相间短路等故障。此外，控制回路绝缘接地也会导致油冷电气控制回路故障[3]。齿轮箱油冷执行回路包括马达电机、油管、散热器片、冷却风扇等，主要故障现象为马达运行声音异常、油管堵塞、散热器片堵塞、冷却风扇的扇叶损坏、电机卡死等。导致齿轮箱油冷执行回路故障的主要原因是电机绕组断线、接地、绝缘击穿、电机回路接线端子螺栓松动、导线接头断股、电机空开本体故障、散热片被灰尘堵塞等。此外，接触器故障（本体卡涩、相间绝缘被击穿、接线端子烧毁等）、供电总电源故障（三相电压不平衡、供电回路电缆接地、短路等）也是导致齿轮箱油冷执行回路故障的主要因素。

2.3 轴承损坏

由于风电机组的工作环境及载荷复杂多变，齿轮箱的载荷也不断变化，导致轴承易出现故障。统计数据表明，早期风电机组齿轮箱故障中发生最多的就是轴承故障，随着轴承技术以及现场维护策略的不断成熟完善，轴承故障发生率大大降低，但是轴承故障仍旧时有发生，而且轴承故障往往会给齿轮箱带来较大的破坏[4]。轴承故障主要是磨损、过热、腐蚀、裂纹、表面脱落等，主要故障原因是安装不当、润滑不良（润滑油不足、失效、不清洁等）、轴承座或轴变形引起的游隙变化等。在实际中，由于轴承选择不当，会导致轴承承受的径向载荷不满足运行要求而出现轴承打滑现象；润滑油不达标会导致轴承润滑不良，润滑油清洁度不够会使杂质进入到轴承滚道间导致轴承磨损；轴承初始游隙设计不当会导致轴承温差大。在轴承的故障中，由于润滑不良因素导致的故障较多，主要包括回油孔设计不当引起的回油不畅，油嘴位置设计不当导致润滑油量小，润滑油抗磨性及黏温特性差，以及润滑油更换不及时等。

2.4 齿轮箱体故障

齿轮箱故障主要有箱体渗油、变形、局部裂纹以及磨损等。箱体渗油主要发生在箱体与齿圈、端盖的结合面，高速轴与低速轴的轴颈处等。箱体与齿圈结合面漏油主要是由于结合面密封条密封不良，箱体与齿圈连接螺栓松动等因素导致。齿轮箱高、低速轴轴颈处渗油主要是由于回油不畅（回油孔堵塞），密封件选用不当等原因导致。此外，润滑油管接头松动，连接处密封胶失效，接头密封不良等也是造成齿轮箱渗油的重要原因。箱体变形主要是由于齿轮件的加工精度不够，部件装配误差大，箱体材料的强度不足等因素导致。箱体局部裂纹是由于箱体材料或热处理不达标，在运行中受到冲击载荷的影响出现的箱体裂纹或齿圈开裂现象。箱体磨损主要表现为齿轮箱轴承装配孔内圆磨损，也被称为“走外圈”[5]。齿轮箱体材料为铸件，硬度比轴承小，因此轴承外圆磨损主要发生在箱体上。在实际中，由于轴承选型以及安装不当等因素导致轴承外圈与箱体间产生摩擦，摩擦会引起箱体内孔磨损，长时间的运行会导致磨损加剧。

2.5 其它故障

齿轮箱其它故障主要有：空心管断裂、齿轮箱油漆脱落、内部齿轮生锈等。齿轮箱空心管也被称为穿线管，风电机组轮毂信号线穿过空心管和滑环单元相连接，空心管断裂会影响机组安全运行，断裂的主要部位在空心管和轴承轴颈的焊接处，主要是由于焊接质量不达标，如未焊透、焊接裂纹等因素导致的。齿轮箱油漆脱落主要发生在齿轮箱缩进盘表面，由于缩进盘表面光滑，油漆附着力不达标会导致油漆脱落。齿轮生锈主要是由于齿轮箱长时间放置而防护措施不当，导致齿轮件表面出现锈蚀。

3 齿轮箱故障防护措施

3.1 加强日常运行维护

风电机组齿轮箱故障除了设备自身材料质量及制造工艺等因素的影响外，主要是运行维护不当导致的。因此，要加强对齿轮箱的日常维护，降低其故障发生率。维护管理人员要按照厂商提供的《齿轮箱全寿命周期内运行维护指导书》内容，并结合风电场实际运行环境，制定完善的日常维护内容，加强日常运行维护管理[6]。比如，齿轮箱在塔下存放过程中，要做好防水、防潮、防尘保护，定期检查齿轮箱内部的滤芯、油管状况，定期清理零部件锈蚀、杂质、灰尘等。当风电机组不发电需要塔上临时停机时，要做好齿轮箱的相应保护，传动链连续锁住时间不宜超过一周，防止叶轮晃动导致齿轮副啮合齿来回摆动，在啮合处产生磨损。正常运行时，由于润滑不良会导致齿轮箱多种故障发生，因此需要每6个月对齿轮箱润滑油检测一次，关注润滑油的黏度、酸值、水分含量以及颗粒物等指标变化，如果润滑油品质不达标要及时更换。定期检查油路软管是否有渗油或老化现象，润滑硬油管有无接头失效，有无渗油点、油封及防尘圈有无老化或渗油，压力传感器及压差传感器运行状况是否良好等。检查齿轮有无点蚀、磨损、断齿等情况，轴承有无磨损、滚珠脱落等情况，紧固件和连接件有无松动，监测回路导线有无断股、虚接、短路、接地等，箱体有无变形、开裂等。

3.2 应用监测技术和检查仪器

齿轮箱在塔顶安装，小的故障不易被发现，利用在线监测技术可以提前发现齿轮箱存在的安全隐患，及时采取优化改进措施。在实际中，常用的在线监测技术是振动频谱分析技术，通过对齿轮箱振动数据的收集和振动波形的分析，判断出故障部位。利用在齿轮箱上安装的在线监测设备收集齿轮箱的运行数据，齿轮箱发生故障后，振动特性会发生变化，信号会发生畸变，或者啮合频率处的频谱值会明显变大，结合这些特征可以定位齿轮箱故障部位。利用在线监测，可以掌握齿轮箱运行状态及异常征兆，提前发现故障[7]。实际中，可单独建立在线监测系统，也可以在齿轮箱上安装在线监测传感器，通过收集、分析传感器数据来达到监测设备状态的目的。由于齿轮箱的结构比较复杂，只有借助仪器才能更好地检查内部零部件的运行状况及细微的缺陷。在实际中，常用内窥镜来检查箱体内部。内窥镜携带比较方便，而且清晰度高，操作简单，利用探头可以实现对箱体内部的检查。当出现出齿轮箱噪声大、振动异常等状况时，将探头从箱体的窥视孔伸入到内部进行检查，主要检查行星及圆柱齿轮面是不是有点蚀、磨损等情况，轴承是否有磨损情况，根据检查结果采取预防措施，避免小缺陷发展成大故障。

3.3 建立齿轮箱管理档案

根据风电机组运行实践，总结出齿轮箱故障的发生是一个渐变过程，只有通过连续的状态跟踪才能更好地掌握其状态，为开展运行维护提供数据参考。档案的内容主要包括齿轮箱基本信息、轴承及齿轮参数信息、润滑油的指标变化信息、定期监测与检查的信息，以及故障处理记录等。齿轮箱基本信息包括生产厂家、出厂编号、制造日期以及运行时间等，轴承及齿轮参数主要包括产品的型号、基本的运行参数信息等，润滑油信息主要包括出厂前厂家提供的检测数据、安装后风电场取样检测的数据，以及运行6个月后的油品检测数据。将润滑油各项关键指标制成曲线图，通过观察油品指标变化来监测润滑油的品质。定期监测及检查的信息主要包括在线监测的齿轮箱关键部位（行星轮、轴承、高、低速轴、输入端和输出端等）的数据信息以及日常检查维护的信息。故障处理记录主要包括每次故障发生的部位、发生的原因、有无更换零部件、更换的部件名称等信息，维护人员每次进行故障排除后将处理记录以表格的形式提交给技术部门，存档备案，利用管理档案，可以实现齿轮箱全寿命周期的管理和维护，不仅能提高管理效率，还能降低故障发生率。