文 | 施惠慶，劉碧燕

海上風電齒輪箱故障精細化管理初探

文 | 施惠慶，劉碧燕

齒輪箱作為風電機組傳動鏈中的核心部件，是風電機組重要的部件之一，對整機的安全、高效運行起著至關(guān)重要的作用，必須正確使用和維護，以延長使用壽命。齒輪油良好的潤滑性能能夠?qū)X輪和軸承起到足夠保護作用，是齒輪箱持續(xù)穩(wěn)定運行的保證；反之，將造成齒面點蝕、膠合、磨損和軸承的損壞。

目前風電行業(yè)應(yīng)用普遍的三級齒輪箱，在近二十年時間里質(zhì)量已實現(xiàn)巨大跨越，但齒輪箱故障導致的停機時間仍是最長的。齒輪箱故障精細化管理很有必要。

齒輪箱工作原理、常見故障及油品監(jiān)測

一、齒輪箱工作原理

齒輪箱采用行星－平行軸混合傳動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。低速級轉(zhuǎn)速低、扭矩大，采用行星傳動，以太陽輪浮動均載為主；第二、三級扭矩小得多，采用斜齒傳動，能有效保證葉尖高壓油通道。齒輪油潤滑系統(tǒng)由供油裝置、油/風冷卻裝置及中間連接膠管組成。

齒輪箱與相聯(lián)接部分須可靠緊固、軸線同心；轉(zhuǎn)動靈活；齒面接觸狀態(tài)正常；潤滑良好。運行應(yīng)平穩(wěn)，無振動或異常噪音；無滲漏，無松動；油溫、軸承間溫差正常。應(yīng)定期檢測和更換齒輪油。

二、齒輪箱常見故障及油品監(jiān)測的重要性

齒輪箱故障，多為軸承、供油系統(tǒng)、密封及齒輪的失效。齒輪失效多為齒面損壞，從微點蝕擴大到剝落、磨損。供油系統(tǒng)故障，齒面油膜減少、熱量增加，導致點蝕、膠合、磨損和軸承損壞。據(jù)統(tǒng)計：斷齒和點蝕是齒輪故障的主要方式，各占41%、31%，磨損、其他各占10%、8%。齒輪箱故障原因中，設(shè)計、制造、材料占40%；維護、操作占43%；其他占17%。

齒輪斷齒、磨損、點蝕軸承及齒輪箱變形等故障，都可能導致聲音異常、振動增大、溫升過高、漏油、能耗增大。齒輪油監(jiān)測是重要的早期故障診斷方法之一。

齒輪油溫高，可能導致散熱系統(tǒng)不正常，需檢查異聲、齒面、軸承、取油送檢，分析油中的金屬成分、雜質(zhì)來源、頻譜分析，更換油品；齒輪油壓力低，可能油泵工作不穩(wěn)定，油溫、粘度異常，機組滿負荷，壓力開關(guān)老化；齒輪油位低，可能管路滲漏，油溫高；齒輪油泵過載，可能北方冬季長時間停機、粘度大；油封老化。

海上風電場齒輪油配置、分析項目及判斷標準

一、海上風電場齒輪油配置

目前風電齒輪油多為美孚SHC XMP 320、嘉實多X320或A320、殼牌HD320或Omala S4 GX320、福斯CLP320。海上龍源風電場目前有155臺機組，其中雙饋機組115臺，本文將分析投運3年以上的52臺雙饋機組。由于主機廠家多，齒輪油選用較多，涵蓋了三種型號：美孚SHC XMP 320、嘉實多X320、殼牌HD320。

圖1 齒輪箱的結(jié)構(gòu)原理圖

二、風電齒輪油檢測、分析項目及控制標準

風電齒輪油檢測，目前多采用人工取樣檢測，檢測周期為6個月。

齒輪油分析項目包括：外觀、運動粘度、酸值、水分含量、添加劑含量、磨損元素（鐵、銅、鋁）、清潔度、分析鐵譜、氧化指數(shù)、PQ指數(shù)。指標控制標準，以Shell HD320為例，如表1所示。

不同品牌齒輪油，判斷標準不同的主要是水分、酸值和氧化值。嘉實多的水分、酸值比其他油品高；氧化值的控制指標也各不相同，如表2所示。

海上風電場齒輪箱及齒輪油運行現(xiàn)狀

一、歷年齒輪箱故障及更換記錄

海上龍源如東風電投運4年以上的雙饋機組52臺，其中試驗風電場14臺，示范風電場38臺。2011年－2016年期間齒輪箱故障次數(shù)，試驗風電場共計133臺次，臺均1.5次/年/臺；示范風電場共計118臺次，年臺均故障次數(shù)0.5次/年/臺，如表3所示。

圖2 齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比（試驗風電場4臺）

圖3 齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比（示范風電場5臺）

（一）齒輪箱更換前后故障次數(shù)及占比分析

歷年更換齒輪箱9臺，其中試驗風電場4臺、示范風電場5臺。這9臺齒輪箱的更換記錄、更換前后的故障次數(shù)及占比，按試驗風電場、示范風電場分開比較，如圖2、圖3、表3、表4所示。

由圖2、表3可見：H14機組，2011年更換齒輪箱后，故障率降低，2015、2016年故障又劇增。因此需要高度重視，及時維護或者更換。

H07、H08機組，2011、2013年故障較多，2013年更換齒輪箱后，運行趨于平穩(wěn)。

H16機組，2015年故障較多，2015年更換齒輪箱后，無明顯改善。需進行有效檢查、分析，找到根本原因，進行維護。

表1 Shell HD320風電齒輪油指標控制標準

表2 不同品牌齒輪油判斷標準比較

表3 試驗風電場歷年齒輪箱更換記錄

由圖3、表4可見：E35、F46、F50機組，齒輪箱故障次數(shù)，均在2014年達到最高值，更換齒輪箱后，未出現(xiàn)齒輪箱故障。

C19機組，2013年故障次數(shù)最高，2015年1月、7月共3次齒輪箱故障，2015年8月更換齒輪箱后，未出現(xiàn)故障；

D29機組，在2015年故障次數(shù)最高，2、3月份累計故障次數(shù)12次，7月更換齒輪箱后，未出現(xiàn)齒輪箱故障。

（二）齒輪箱故障與齒輪箱更換對應(yīng)情況

比較發(fā)現(xiàn)，試驗風電場齒輪箱更換的4臺機位，有2臺在歷年故障前5名，對應(yīng)關(guān)系不明顯。表5 為試驗風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應(yīng)表。

示范風電場齒輪箱更換的5臺機位，有4臺在歷年故障前5名，對應(yīng)率達到80%。表6 為示范風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應(yīng)表。

二、海上風電場歷年齒輪油檢測、換油記錄

（一）試驗風電場

運行3年的齒輪油檢測結(jié)果如下：警告10次，涉及機位6臺，占比42.9%；異常3次，涉及機位3臺，占比21.4%。運行5年后，警告33次，涉及機位13臺，占比92.9%；異常10次，涉及機位6臺，占比42.9%。

（二）示范風電場

運行3年的齒輪油檢測結(jié)果如下：警告45次，涉及機位17臺，占比44.7%；異常4次，涉及機位3臺，占比7.9%。運行5年后，警告54次、涉及機位18臺，異常7次、涉及機位5臺。

試驗風電場14臺參與比較機組中，歷年更換齒輪油機位有6臺，占比42.9%；示范風電場38臺雙饋機組中，歷年更換齒輪油機位有8臺，占比21.1%。

以C19為例，2013年齒輪油取樣送檢3次，磨損指數(shù)明顯升高，檢測結(jié)論“報警”，鐵譜分析報告潤滑與磨損綜合狀態(tài)“警告”；2014年鐵譜分析顯示磨損嚴重，綜合狀態(tài)“嚴重”，2015年換齒輪箱。

D29，2013年7月PQ指數(shù)升高、樣品底部可見鐵屑，鐵譜分析報告有少量正常磨粒，潤滑與磨損綜合狀態(tài)“警告”。2014年，在用油中磨損鐵元素含量和鐵磁顆粒含量均超標，鐵譜分析報告顯示少量磨損顆粒。

表7、表8可見：對于齒輪油檢測警告、異常機組，一半以上可以通過及時更換齒輪油、改善齒輪箱潤滑情況得以緩解和解決，避免故障擴大。

更換齒輪箱的9臺中，齒輪油檢測出5臺，查出率55.6%。

表4 海上風電場歷年齒輪箱更換記錄

表5 試驗風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應(yīng)表

表6 示范風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應(yīng)表

三、海上風電場歷年齒輪箱振動檢測、內(nèi)窺鏡檢查記錄

（一） 振動檢測

2014年－2015年，對試驗風電場14臺雙饋機組分別進行齒輪箱離線、在線振動檢測。查出軸承故障5臺，輪齒損傷8臺，其中3臺建議及時維護或更換，如表9所示。

示范風電場離線振動檢測，查出：D29軸承早期磨損，C17高速軸齒輪齒面點蝕磨損。

試驗風電場在線監(jiān)測，查出：1臺高速端軸承損傷（H15）；2臺中、高速端輪齒損傷（H07、H08）；2臺齒圈或行星輪系損傷（H05、H06），1臺二級行星輪系損傷（H16）。

示范風電場在線監(jiān)測，查出：3臺（E35、F46、F50）振動異常，停機檢查發(fā)現(xiàn)齒輪箱本體有微裂紋，確定更換齒輪箱。

更換齒輪箱的9臺中，離線振動檢測出4臺，查出率44.4%；在線振動檢測出6臺，查出率66.7%。

（二）內(nèi)窺鏡檢查

對振動檢測有問題的機位，進一步進行齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查。

試驗風電場，查出軸承、齒輪均有問題的7臺，包括更換齒輪箱的3臺（H14、H07、H08）；軸承問題的1臺，齒輪問題的3臺。軸承故障內(nèi)容，主要包括：壓痕、點蝕、磨損、鐵屑、劃傷；齒輪故障內(nèi)容，主要包括：劃痕、磨損、點蝕、剝落、灰變、停車痕、壓痕、銹跡。檢查后建議：加強軸溫、油溫監(jiān)測，內(nèi)窺鏡檢查，返廠維修，更換齒輪箱。

示范風電場，檢查4臺機位，查出齒輪問題3臺，包括更換齒輪箱的1臺（D29）。

更換齒輪箱的9臺中，內(nèi)窺鏡查出4臺，查出率44.4%。

綜上所述，齒輪油檢測、振動監(jiān)測、內(nèi)窺鏡檢查的報警機位與齒輪箱更換機位的對應(yīng)率分別為55.6%、66.7%、44.4%，加上互補區(qū)域，故障診斷率高達88.9%。綜合分析對故障的早期預判和診斷顯示其優(yōu)越性和重要性。

齒輪箱故障精細化管理建議方向

一、加強齒輪箱日常維護

齒輪箱運行中的日常維護和狀態(tài)監(jiān)測，包括在持續(xù)大風、登機巡視、離開機艙前檢查。檢查內(nèi)容：外觀、噪音、油位、滲漏、異聲，濾芯、電氣接線。監(jiān)控指標：同心度、振動、油溫、軸溫、齒輪泵出口壓力、油質(zhì)，油溫低于零度時開啟加熱；突然升溫時，及時查詢和處理，避免故障擴大；檢修時，盡量避免采用緊急制動，降低沖擊。

作為風電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障預警的有效技術(shù)手段之一的齒輪油液監(jiān)測，也需重視出質(zhì)保驗收、新油驗收、按質(zhì)換油等管理環(huán)節(jié)，運行中加強跟蹤油位、油品指標。

二、建立、健全故障及維護臺賬，綜合分析、及時處理

包括：齒輪箱安裝、調(diào)試、故障臺賬，齒輪油檢測、振動監(jiān)測、內(nèi)窺鏡檢查臺賬，齒輪油、齒輪箱更換臺賬等。

要重視齒輪油、振動、內(nèi)窺鏡等所有監(jiān)檢測報警，全面、綜合分析監(jiān)檢測報警信息，力爭做到準確判斷、快速反應(yīng)、及時處理。

三、運用現(xiàn)代化遠程監(jiān)測技術(shù)分析、管理

在齒輪油液監(jiān)測中，目前以人工取樣檢測模式為主，可分次轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€監(jiān)測模式，則可有效解決海上風電取樣周期長、通達性差、監(jiān)測滯后、不能及時發(fā)現(xiàn)問題的狀態(tài)。齒輪油在線監(jiān)測、齒輪箱磨損狀態(tài)在線監(jiān)測，是齒輪箱故障精細化管理的技術(shù)發(fā)展方向。

隨著科技發(fā)展，齒輪油監(jiān)測、振動監(jiān)測這兩種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的常用技術(shù)手段，也可聯(lián)合應(yīng)用于風電齒輪箱故障預警管理系統(tǒng)。齒輪油監(jiān)測和振動監(jiān)測都在國內(nèi)風電運維領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，兩者相結(jié)合，更利于綜合分析、預判風電齒輪箱故障。

表7 歷年齒輪油檢測警告、異常機組

表8 歷年鐵譜分析報告警告、異常匯總

表9 試驗風電場離線振動檢測報警位置統(tǒng)計（2014年－2015年）

結(jié)論

綜上所述，為了保證齒輪箱的潤滑性能、確保機組高效穩(wěn)定運行，必須做到以下幾點：

（一）加強風電設(shè)備的日常檢查、維護和管理。建立、健全設(shè)備故障及維護檔案。

（二）充分重視齒輪油檢測、振動監(jiān)測、內(nèi)窺鏡檢測中的報警、異常，將齒輪油監(jiān)測和振動檢測、內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果相結(jié)合，綜合判斷齒輪箱運行、磨損狀況。

（三）需利用現(xiàn)代化科技技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實踐，開發(fā)出對齒輪箱運行中特征數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)連續(xù)、及時監(jiān)測，科學、有效分析，準確評估、處理的專家診斷功能，確保機組安全、穩(wěn)定運行。

（作者單位：江蘇海上龍源風力發(fā)電有限公司）