風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷和處理

張道全

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

隨著十四五計(jì)劃中“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的建立，風(fēng)力發(fā)電作為新能源電力供應(yīng)方式逐漸得到更多認(rèn)可。同時，第十九次人民代表大會能源導(dǎo)向明確提出要構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。在此政策導(dǎo)向下，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布《中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報》，2020年中國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量飛速提升至28153 萬千瓦，同比增長34.6%，已占我國發(fā)電裝機(jī)規(guī)模總量的12.79%。在裝機(jī)容量的激增下，風(fēng)電機(jī)組日常的運(yùn)維問題將帶來更多經(jīng)濟(jì)影響。作為風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)的核心，齒輪箱的維護(hù)尤其重要。

一、風(fēng)機(jī)齒輪箱行業(yè)現(xiàn)狀

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的原理是將風(fēng)輪收集到的機(jī)械能，借由齒輪箱傳動到發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。

在這個過程中，齒輪箱的作用是將風(fēng)輪的低轉(zhuǎn)速提升至發(fā)電機(jī)所需的高轉(zhuǎn)速。齒輪箱是雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈中最重要的部件，其設(shè)計(jì)要求體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。風(fēng)機(jī)制造業(yè)中，各大企業(yè)對齒輪箱進(jìn)行了深入研究和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，但目前世界風(fēng)電行業(yè)所用增速齒輪箱仍然故障頻發(fā)。齒輪箱一旦發(fā)生故障，維修困難且修理時間較長，不僅更換費(fèi)用昂貴，還會大幅降低當(dāng)月利用小時數(shù)，造成大量經(jīng)濟(jì)效益的損失，甚至降低電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

二、齒輪箱故障類型及成因

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的選址通常在山地平原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，整場機(jī)組運(yùn)行環(huán)境相對較差，部件受損概率較高。同時現(xiàn)場運(yùn)維人員水平參差不齊，難以做到系統(tǒng)化地對風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，致使隨著使用年限的增加齒輪箱故障頻發(fā)，尤其在出質(zhì)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(tǒng)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(diǎn)蝕、膠合、塑變和磨損，失效后修復(fù)較慢，會造成較長的停機(jī)時間。齒輪箱運(yùn)行過程中長時間的偏載或瞬時的嚴(yán)重沖擊會導(dǎo)致齒輪的斷裂。同時，齒輪箱運(yùn)行過程中會從縫隙中進(jìn)入灰塵等雜質(zhì)，造成潤滑油的污染，從而腐蝕齒輪表面造成點(diǎn)蝕。齒輪箱的不良工況可能導(dǎo)致齒輪間嚙合存在偏差，產(chǎn)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(jīng)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(dǎo)致齒輪產(chǎn)生塑變。而局部升溫下的持續(xù)重載運(yùn)行或齒輪油的變質(zhì)對齒輪的腐蝕會導(dǎo)致齒輪膠合情況的發(fā)生。斷齒的發(fā)生有時出現(xiàn)在齒輪箱生命周期前期，由于不合適的負(fù)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(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行要求。點(diǎn)蝕和磨損常發(fā)生在齒輪箱運(yùn)行一段時間后，由于灰塵或金屬微粒對齒輪表面產(chǎn)生摩擦，使其出現(xiàn)損傷。膠合和塑變通常在運(yùn)行較長時間后發(fā)生，在較差的工況下齒輪箱容易進(jìn)入雜質(zhì)污染潤滑油，發(fā)生材質(zhì)和剛性變化。

（二）軸承故障

軸承故障是齒輪箱故障中發(fā)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(chǎn)生噪聲，降低運(yùn)轉(zhuǎn)的精度。電流腐蝕是由于電流穿過軸系，擊穿油膜產(chǎn)生電火花，對軸承進(jìn)行腐蝕。裂紋和斷裂通常由于材料缺陷、熱處理不當(dāng)或過載導(dǎo)致，未提前發(fā)現(xiàn)將造成整個齒輪箱的損壞。疲勞剝落則由于內(nèi)外圈與滾動體的接觸面受到交疊變化的載荷產(chǎn)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(jìn)行振動檢測可以提前發(fā)現(xiàn)故障，在軸承失效前及時處理，降低經(jīng)濟(jì)損失。

（三）軸系故障

現(xiàn)場的風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)齒輪箱主軸竄位的情況，這是由于齒輪箱進(jìn)入灰塵導(dǎo)致的，位移量過大夠可能導(dǎo)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(dǎo)致軸彎曲，隨著形變量的增加，齒輪嚙合不再合理，導(dǎo)致斷齒的發(fā)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(dǎo)致角度上的變化，引起齒輪更大程度的位移，導(dǎo)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(luò)譜等方式檢測出來，在出現(xiàn)較大損失之前及時更換。

（四）齒輪箱冷卻潤滑系統(tǒng)故障

齒輪箱冷卻潤滑系統(tǒng)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(zhì)等。滲漏油主要發(fā)生在各類零件的連接部位，例如箱蓋與箱體的結(jié)合面，箱體與齒圈結(jié)合處，潤滑系統(tǒng)接頭處等。引起滲漏油的原因包括密封膠條選擇不當(dāng)密封件選擇不當(dāng)，管接頭松動等。密封件本身可能會存在的磨損，或雜物進(jìn)入油道后造成堵塞，都會引起潤滑油滲漏現(xiàn)象。滲漏后會出現(xiàn)油壓過低的情況，而潤滑油本身溫度過低或粘度過大會導(dǎo)致油壓過高。同時在潤滑油變質(zhì)和滲漏的情況下，軸承與齒輪間的摩擦力將會極度增大，產(chǎn)生過多熱量無法完全冷卻，會導(dǎo)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(yùn)行時間較長的風(fēng)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(dǎo)致內(nèi)部油溫過高。在日常機(jī)組運(yùn)行過程中，需要定期對潤滑油和濾芯進(jìn)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(fēng)電機(jī)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(guī)振動和非常規(guī)振動。在齒輪箱正常工作狀態(tài)中，軸振動頻率通常為轉(zhuǎn)頻。在主軸出現(xiàn)動、靜不平衡、力偶不平衡或懸臂轉(zhuǎn)子不平衡時，基頻幅值會增大，根據(jù)具體數(shù)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(lián)軸器平行不對中故障可以在復(fù)頻域上觀測到軸向傳感器測點(diǎn)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(diǎn)上的軸向振動出翔1、2 倍頻的能量增長。

（二）基于多元數(shù)據(jù)融合的軸承故障分析

在齒輪箱正常運(yùn)行時，軸承的振動頻率通常集中于基頻和軸承滾動體數(shù)量的倍頻。但在故障發(fā)生時，齒輪箱中的損傷點(diǎn)會對頻率進(jìn)行調(diào)制。在振動檢測中通?？梢韵仍跁r域波形中觀察齒輪箱是否經(jīng)受過較大沖擊，再對其進(jìn)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(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式確定該頻率是否屬于外圈故障頻率、內(nèi)圈故障頻率、滾動體故障頻率、保持架故障頻率之一。振動數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精度符合尼奎斯特采樣定理。通過振動總值、峭度指標(biāo)分析法、頻譜分析法、時域波形分析法和包絡(luò)解調(diào)法定位齒輪箱軸承故障。

（三）基于振幅調(diào)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(jìn)行能量傳遞。在正常運(yùn)行情況下，能量通常由低速軸傳到高速軸。根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)的不一致，可以判斷出是主動輪還是從動輪出現(xiàn)故障。

當(dāng)齒輪出現(xiàn)破裂或折斷時，將會出現(xiàn)單倍嚙合頻率的多邊帶調(diào)制；當(dāng)齒不對中時，將會以嚙合頻率的倍頻為中心進(jìn)行調(diào)制；當(dāng)出現(xiàn)齒輪嚙合間隙時，會產(chǎn)生小于嚙合頻率為主帶的頻率調(diào)制。

四、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障處理方法

齒輪箱軸系在運(yùn)行狀態(tài)下可能出現(xiàn)軸不平衡、長期偏載、瞬時沖擊、異常振動等非正常工況，導(dǎo)致軸故障的發(fā)生。軸故障主要表現(xiàn)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(fā)，主要是由于軸與安裝在軸上的軸承發(fā)生相對運(yùn)動，俗稱軸承“走內(nèi)圈”；軸彎曲通常為長時間偏載所致，常出現(xiàn)在軸承驅(qū)動端；軸斷裂極少出現(xiàn)，在高速軸在故障急停中受到?jīng)_擊過大時可能發(fā)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(fā)現(xiàn)軸磨損故障時，軸磨損程度較輕，在單側(cè)磨損量小于0.3mm，可以采用涂鍍工藝進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)磨損到達(dá)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(bǔ)后機(jī)加工處理等方法。傳統(tǒng)的焊補(bǔ)工藝熱輸入量大，易使軸出現(xiàn)變形，整軸加工精度難以達(dá)標(biāo)，致使焊接熱應(yīng)力集中，在軸的焊接區(qū)容易再次出現(xiàn)故障。從提升機(jī)組可靠性的角度出發(fā)，在費(fèi)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(shù)

激光熔覆技術(shù)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(diǎn)，對被加工件表面的金屬進(jìn)行微熔，以此方式將補(bǔ)充的合金粉劑添加至融合點(diǎn)。加熱后金屬快速冷卻凝固，得到原件的上完全冶金結(jié)合的致密熔覆層。在齒輪箱高速軸修復(fù)中，激光熔覆處理技術(shù)存在以下優(yōu)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(jié)合強(qiáng)度高。

五、結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國已得到多年政策扶持，擁有大規(guī)模裝機(jī)容量，系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)將成為風(fēng)電機(jī)組提質(zhì)增效的關(guān)鍵條件。本文通過討論齒輪箱故障的檢測與處理方法，為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供技術(shù)性建議和指導(dǎo)，達(dá)到提高場站利用小時數(shù)，增加機(jī)組可靠性的目的。