徐莘博等

摘要：在我國風(fēng)電機(jī)組一般安裝在高山、荒原、海島等風(fēng)口處，容易受到沙塵、低溫、臺風(fēng)、冰雪、鹽分等惡劣氣候環(huán)境的影響。由于風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常受無規(guī)律的、變向的、變負(fù)荷的風(fēng)力作用，會導(dǎo)致葉片表面損傷乃至脆斷。齒輪箱密封潤滑系統(tǒng)功能退化、低溫停機(jī)較長時(shí)間后變速箱內(nèi)油溫低、黏稠度大等都會降低液壓系統(tǒng)壽命。傳動鏈特別是齒輪箱系統(tǒng)中由關(guān)鍵零部件失效引發(fā)故障而導(dǎo)致停機(jī)的時(shí)間占機(jī)組總停機(jī)時(shí)間的比例居高不下是影響系統(tǒng)性能和可靠性服役的關(guān)鍵性問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱；失效；可靠性分析

1.風(fēng)電齒輪箱主要失效形式

根據(jù)失效部位進(jìn)行分類，風(fēng)電齒輪箱的故障主要有 箱體故障、行星架故障、軸故障、齒輪故障、軸承故障及潤 滑冷卻系統(tǒng)故障等。

突發(fā)性的陣風(fēng)或者電網(wǎng)故障導(dǎo)致的突發(fā)載荷 、 發(fā)生故障時(shí)的緊急制動等 ，都會產(chǎn)生較大載荷，有時(shí)甚至超過額定載荷數(shù)倍，引起齒輪的過載折斷。齒輪損傷主要包括輪齒折斷（斷 齒）、齒面疲勞（點(diǎn)蝕）、齒面膠合、齒面磨損等。從應(yīng)用初期的微點(diǎn)蝕，到逐步擴(kuò)展的大面積點(diǎn)蝕、剝落或磨損。斷齒常由細(xì)微裂紋逐步擴(kuò)展而成。由于齒面在交變載荷下承受過大的接觸剪應(yīng)力、過多的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，因此齒面容易發(fā)生膠合、點(diǎn)蝕、齒面剝落、表面壓碎等 損傷。另外軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區(qū)等也會引起輪齒的沖擊折斷.比較典型的是行星輪系， 行星輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中總是雙向受力，受齒輪精度、強(qiáng)度的影響，容易出現(xiàn)疲勞斷齒現(xiàn)象。行星架損壞部位容易出現(xiàn)在行星孔等強(qiáng)度較弱的部位以及與行星輪或行星架軸承相近的部位。

1.1軸承

軸承是齒輪箱中另一個(gè)重要故障源。由于安裝、潤滑、污染和工作環(huán)境等因素，軸承出現(xiàn)了磨損超負(fù)載、過熱、腐蝕、導(dǎo)電、疲勞等現(xiàn)象，使軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等問題而失效，從而使齒輪箱發(fā)生損壞在低速輸入端，低速重載情況比較典型，良好的潤滑條件難以形成，這是造成主軸軸承損壞的重要原因。高速端的軸承，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)軸和齒輪箱高速軸連接中通常存在角度偏差和徑向偏移，它們隨輸出功率的變化而變化；這會產(chǎn)生一定頻率的軸向和徑向的擾動力，從而引起軸承溫升而使軸承損壞。當(dāng)軸出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪箱，并對損壞的軸和其他損壞件進(jìn)行維修或更換。

1.2箱體故障

箱體主要有箱體斷裂，止口變形或斷裂，軸承座磨損 等故障形式，。箱體損壞部位大多出現(xiàn)在箱體。與齒圈連接處，損壞嚴(yán)重時(shí)伴隨著連接箱體與齒圈的螺栓發(fā)生剪斷。箱體損壞也容易出現(xiàn)在箱體上軸承座處，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸的軸向定位失效時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸可能對軸承座造成磨 損。箱體出現(xiàn)損壞時(shí)，應(yīng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪箱，并對箱體和其他損壞件進(jìn)行更換或維修。當(dāng)箱體損壞面積較小或損壞程度較輕時(shí)，可以對箱體進(jìn)行適當(dāng)?shù)男迯?fù)，如修磨、校正或鑲件等。當(dāng)箱體損壞較嚴(yán)重時(shí)，可以更換新箱體。

1.3潤滑冷卻系統(tǒng)故障

潤滑系統(tǒng)主要有油泵故障、加熱器故障、冷卻器故 障、濾芯堵塞、管路堵塞或滲漏等故障形式齒 輪箱的滲漏油情況主要發(fā)生在箱體與齒圈結(jié)合面、端蓋與箱體結(jié)合面、低速軸和高速軸軸頸處 、潤滑冷卻系統(tǒng)管接頭處等。漏油問題大多可歸結(jié)為原有結(jié)構(gòu)缺陷在惡劣工作環(huán)境 影響下的結(jié)果。齒輪箱的接口端和管接頭處由于存在密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理或者密封質(zhì)量問題 （包括低溫和振動載荷情況下的油封老化等），均有可能發(fā)生漏油，同時(shí)漏油處也容易造成外部灰塵進(jìn)入箱體而污染潤滑油 。傳動鏈及齒輪箱中各類由潤滑不充分導(dǎo)致的問題出現(xiàn)得也較多。潤滑不充分非常容易導(dǎo)致傳動副的關(guān)鍵接觸區(qū)的干磨，這是齒面、主軸、軸承等磨損的 根源之一。另外，長期運(yùn)轉(zhuǎn)之后在接觸部位出現(xiàn)了磨損，潤滑油質(zhì)會包含雜質(zhì)污染，引起過熱等故障。

1.4結(jié)構(gòu)與裝配問題

裝配工藝及技術(shù)質(zhì)量（盡管部分最終體現(xiàn)為零件的加工質(zhì)量及材料技術(shù)性能問題）是導(dǎo)致零部 件失效和系統(tǒng)故障的直接技術(shù)根源。主傳動鏈在結(jié)構(gòu)性能上具有明顯的剛?cè)狁詈咸攸c(diǎn)，在惡劣載荷條件下，裝配誤差（及結(jié)構(gòu)變形）與長期服役過程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用，最終會導(dǎo)致關(guān)鍵傳動零部件發(fā)生疲勞失效。大型風(fēng)電傳動齒輪箱區(qū)別于普通齒輪箱的最大特 點(diǎn)就在于所承受載荷的無規(guī)律性風(fēng)速多為3～25m/s當(dāng)前主流的1.5～3.0MW 齒 輪 箱 的 最 大功率幅值可能達(dá)到名義功率值的 3～4 倍（反 轉(zhuǎn)可以達(dá)到2倍左右）。這對風(fēng)電傳動系統(tǒng)中剛度較低的空心低速中間軸、行星輪系等零部件的影響相當(dāng)顯著，因?yàn)橹髁?MW 齒輪箱 的長和寬通常在3m以上，總質(zhì)量在20t以上 ，輸入力矩在2MN· m 左右，在這個(gè)尺度 上 ，材料加工問題、輸送和組裝過程中的損壞、轉(zhuǎn)子的不對稱導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，而接部 件的軸偏心、軸承和支撐部件的組裝有誤等各類技術(shù)原因?qū)е碌牧悴考圃?、裝配誤差的絕 對值相對較大。風(fēng)電齒輪箱中傳動系的裝配偏心誤差 、齒距誤差及平行度誤差等，在復(fù)雜載 荷（特別是在超過設(shè)計(jì)負(fù)荷下工作時(shí)導(dǎo)致扭矩過大）下會進(jìn)一步惡化傳動件的配合接觸狀態(tài)，擴(kuò)大輪系結(jié)構(gòu)的偏心誤差等，從而誘發(fā)振動問題，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中加劇及結(jié)構(gòu)失效等現(xiàn)象的 出 現(xiàn)。主傳動鏈在結(jié)構(gòu)性能上具有明顯的剛?cè)狁詈咸攸c(diǎn)，在惡劣載荷條件下 ，裝配誤差（及結(jié)構(gòu)變形）與長期服役過程中零件的磨損等具有雙向加劇的作用，最終會導(dǎo)致關(guān)鍵傳動零部件 發(fā)生疲勞失效 。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍，秦大同，陳會濤，周志剛.風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)隨機(jī)風(fēng)速下的載荷特性研究[J].中國機(jī)械工程，2011（15）.

[2]李國云，秦大同.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱加速疲勞試驗(yàn)技術(shù)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（11）.

作者簡介：徐莘博（1994—），男，江西豐城人，工作單位：大連理工大學(xué)，職務(wù)：本科學(xué)生，研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)。