劉彥齊

（中船重工海為（新疆）新能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

風能是一種可再生的綠色能源且儲量豐富，是目前最具商業(yè)化發(fā)展前景的能源。我國10m 高度層風能資源總儲量約32.26 億kW。據統(tǒng)計，2018 年，我國風電新增并網容量2033 萬kW，累計并網1.84 億kW。隨著我國風電產業(yè)技術創(chuàng)新能力不斷提升和速度不斷加快，目前已具備兆瓦級風電整機自主研發(fā)能力，并形成了完整的風電裝備制造產業(yè)鏈。但是隨著制造企業(yè)新產品研發(fā)和迭代的加速，風電機組的技術和質量存在的風險不斷上升。隨著風電機組運行時間的增長，風機技術和質量問題也逐漸隨著風機故障的增多而暴露。據統(tǒng)計，齒輪箱失效故障約占風機總故障的40%，而齒輪箱作為雙饋型風電機組核心部件，其損壞所帶來的設備檢修、吊裝運輸及電量損失是非常巨大的。所以，對風電機組齒輪箱的失效進行分析研究和提前預防其失效有著重要意義。鑒于以上情況，文章結合新疆某風電場的實際運行情況，對其機組齒輪箱出現(xiàn)的失效進行詳細分析和研究。

1 風力發(fā)電機組齒輪箱概述

風力發(fā)電機組齒輪箱位于風輪和發(fā)電機之間，主要功能是將風輪在風力作用下產生的動能傳遞給發(fā)電機，并將葉輪的低轉速提高到發(fā)電機所要求的的高轉速。新疆某風電場選用HZ87L-2000 雙饋式風力發(fā)電機組，其主齒輪箱型號為FL2000H。齒輪箱主要由箱體、太陽輪、行星輪、行星架、軸、齒輪、齒輪軸、軸承等零件組成，其采用了第一級為NGW 型行星齒輪傳動型式，第二、三級采用了平行軸圓柱齒輪傳動形式。齒輪箱的第一級為行星架輸入，內齒圈固定，太陽輪浮動。此級的行星架與輸入軸設計為一體，太陽輪輸出端用鼓形齒與第二級安裝有齒輪的主動軸內花鍵聯(lián)結。第二級的主動齒輪用過盈配合聯(lián)接在傳動軸上與被動齒輪軸嚙合，安裝在第二級被動齒輪軸上的第三級傳動的主動大齒輪與輸出軸設計為一體的小齒輪嚙合，將扭矩傳出。齒輪箱結構如圖1 所示。

齒輪箱主要技術參數：額定輸入功率2205kW，額定輸入轉速17rpm，額定輸出轉速1755rpm，傳動比103.02，齒輪箱總重約23000kg，運行環(huán)境溫度-30 ℃～+50 ℃，外形尺寸約2495mm×2880mm× 2000mm（長×寬×高）。

圖1 齒輪箱剖面簡圖

2 風力發(fā)電機組齒輪箱失效情況

新疆某風電場選用25 臺2.0MW 風機，2012 年11月首臺機組并網運行。風電場自2015 年2 月開始出現(xiàn)齒輪箱失效情況，截至2018 年11 月共出現(xiàn)13 臺/ 次齒輪箱失效（更換齒輪箱5 臺、齒輪箱塔上開箱維修8 臺/次）。具體齒輪箱失效形式：齒輪箱行星輪貫穿性裂紋4 臺、行星架前軸承滾子磨損1 臺、高速軸磨損6 臺/次、箱體螺栓斷裂2 臺等。風電機組累計停機5816.74h，造成電量損失653.0896 萬kWh,電量直接經濟損失333.076 萬元。

3 齒輪箱失效原因分析及結論

通過對風機監(jiān)控數據及各項風機記錄資料的調查確認，齒輪箱失效前運行正常、各項參數基本穩(wěn)定、設備定期檢修維護工作正常開展，無明顯異常情況。通過對齒輪箱進行現(xiàn)場拆解或返廠開箱檢查測試，進一步分析查找失效原因。

（1）高速軸磨損失效分析。2015 年8 月至12 月連續(xù)出現(xiàn)6 臺高速軸磨損，失效情況基本一致：齒輪箱高速軸軸承溫度瞬間超限，高速軸輸出端軸頸、端蓋、甩油環(huán)等組件磨損燒毀嚴重，高速軸后軸承外圈與擋油環(huán)靜接觸面有明顯周向磨損但軸承內圈和滾珠正常，高速軸齒面、高速軸其余軸承以及鎖緊螺母正常。失效原因分析：從拆解情況可看出高速軸端蓋、甩油環(huán)、擋油環(huán)和軸承均有不同程度的損傷，甩油環(huán)與高速軸摩擦導致高速軸軸頸表面嚴重拉傷、輸出端蓋磨損變形表面燒糊，擋油環(huán)與軸承靜接觸面周向磨損嚴重。但軸承外圈和擋油環(huán)之間有內螺紋圓柱銷周向定位，為靜接觸，不應出現(xiàn)磨損。在檢查輸出端蓋定位銷尺寸室發(fā)現(xiàn)銷孔深度比圖紙設計要深約3mm，若定位銷在運行中退出，則定位銷起不到周向定位的作用。失效結論：輸出端蓋定位銷孔尺寸加工有誤，在高速運行過程中定位銷退出未能起到定位作用，導致軸承外圈與擋油環(huán)摩擦并產生大量熱量并引起高速軸竄軸等問題。

（2）齒輪箱箱體主螺栓斷裂失效分析。2015 年及2016 年共出現(xiàn)2 臺箱體螺栓斷裂失效情況：齒輪箱油位低，觀察孔蓋結合面漏油，后箱體與內齒圈多顆雙頭連接螺柱斷裂。失效原因分析：將斷裂的螺栓進行檢測，從宏觀觀察發(fā)現(xiàn)各螺栓斷裂形式及斷口形貌一致，斷口均存在明顯的光亮區(qū)（疲勞區(qū)）和粗糙區(qū)（瞬斷區(qū)），斷口邊緣螺紋底部有微裂紋而非斷口處的螺紋底部無微裂紋等；從化學成分分析各螺栓材料符合42CrMo 的技術要求；從金相組織檢測結果看夾雜物檢測未脫碳深度均滿足相關標準要求；從硬度測試檢測看，螺栓滿足10.9 級螺栓標準要求硬度。失效結論：齒輪箱工作時，運行過程中風況不穩(wěn)定、無規(guī)律，風速變化快，齒輪箱不可避免地發(fā)生振動。伴隨齒輪箱的運轉，部分螺栓出現(xiàn)輕微松動現(xiàn)象，螺栓在反復外力作用下，產生微裂紋，裂紋逐漸擴展，直至螺栓最終斷裂失效。

（3）行星輪貫穿裂紋失效分析。自2016 年來，齒輪箱已出現(xiàn)4 臺行星輪貫穿性裂紋，失效概況基本一致，但原因不盡相同：風機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)報警，行星輪開裂，其他部件正常。

失效齒輪（F7361、F7372）原因分析：從宏觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)斷口呈明顯的疲勞斷口，裂紋源位于行星齒輪卡簧槽位置，卡簧槽內存在明顯加工刀痕，粗糙度遠超設計要求。對材料進行理化檢測，行星輪軸承的材料、金相組織、硬度、齒面、齒端和齒根硬化層深符合圖樣技術要求。失效結論：行星輪開裂是卡簧槽粗糙度不合格及尖角效應，在卡簧槽處形成應力集中區(qū)域，行星輪運行過程中在卡簧槽部位應力過大，致使在卡簧槽尖角部位出現(xiàn)微裂紋，并在后續(xù)運行過程中裂紋逐漸擴展，直至行星輪開裂。

失效齒輪（#7366）原因分析：從宏觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)行星輪有較明顯的疲勞輝紋，疲勞源區(qū)位于行星輪的內部。從行星輪的內壁上觀察，可看到疲勞源處有明顯的磨損拉傷積瘤疤痕。而磨損痕跡為周向磨損，即行星輪內軸承外圈與行星輪內孔在運轉時發(fā)生相對滑動，長時間運行后，磨損加劇，犁痕加重形成溝槽。溝槽即為應力集中點和裂紋源，擴展后致使整個齒輪斷裂。失效結論：該行星輪內孔實際與軸承配合較松，造成運行過程中軸承滑動，從而導致內孔壁磨損嚴重，進而引起行星輪裂紋。

失效齒輪（#7360）原因分析：輪齒齒根部有明顯的裂紋紋路，為裂紋起始位置，一直向內延伸至行星輪內孔表面。通過查看齒根裂紋源位置，可發(fā)現(xiàn)齒根處存在磨削凸臺，裂紋張裂的尖銳處也剛好位于磨削凸臺上，初始裂紋出現(xiàn)在輪齒危險截面處。輪齒嚙合時，受彎曲應力作用最大的凸臺位置會由于應力集中而最先裂開形成尖銳部位，隨著運行過程中應力進一步增大而向齒輪本體內部張開型擴張，最終形成裂紋。通過材料檢測確認行星輪的材料、硬度、金相組織均滿足要求，硬化層深符合技術要求，行星輪的開裂并非是自身材料問題。失效結論：行星輪齒根處存在磨削凸臺，從而在齒根凸臺危險截面處形成應力集中區(qū)域產生裂紋，在后續(xù)運行過程中裂紋擴展，最終導致行星輪開裂。

（4）齒輪箱失效結論。從以上齒輪箱失效分析情況來看，齒輪箱的設計方法、加工工藝、設備材料質量及后期維護保養(yǎng)等均無問題，齒輪箱失效主要還是由于設備生產過程中的零部件加工精度不滿足要求導致，屬于產品質量問題。

4 齒輪箱失效預防處理

大部分的齒輪箱失效和缺陷都是可以采取合理有效的手段預防和避免，根據現(xiàn)場實際運維經驗以及風機生產制造企業(yè)的技術反饋，可以從以下幾點對齒輪箱失效進行預防處理并監(jiān)測齒輪箱劣化趨勢和運行狀態(tài)。

（1）強化設備質量監(jiān)督機制。建立覆蓋設計、生產、運行全過程的質量監(jiān)督管理機制，完善風電機組運行質量監(jiān)測評價體系，定期開展風電機組運行情況綜合評價。完善風電機組關鍵零部件、施工裝備、工程技術和風電場運行、維護、安全等標準，強化落實標準執(zhí)行。對已出現(xiàn)失效情況的同批次產品制定技改方案和技改計劃并按期完成技改工作。

（2）建立良好的維護檢修標準。為保證齒輪箱正常運行，必須對齒輪箱進行隨機監(jiān)控和定期檢查。定期對齒輪箱工作溫度、清潔度、噪聲、振動、軸承及齒輪、油液及整體運行情況等進行檢查；定期清理潤滑油濾芯和更換潤滑油。重點要做好齒輪箱的螺栓力矩檢查、軸系對中、潤滑油取樣化驗，并根據化驗的數據參數建立油品分析臺賬。齒輪箱內部檢查可以輔助內窺鏡等器械，強化齒輪箱內部嚙合部件運行工況的檢查。

（3）使用振動在線監(jiān)測技術。風電機組應具有一套獨立于控制系統(tǒng)之外的監(jiān)測保護系統(tǒng)，目前市場上技術比較成熟的齒輪箱故障診斷技術就是風電機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，其能夠對風機傳動系統(tǒng)中的主軸、齒輪箱、發(fā)電機振動數據和轉速數據實時監(jiān)測，對風機劣化趨勢、異常工況進行預警及診斷，實現(xiàn)對風機早期故障征兆的及時捕捉、準確預判、診斷和預知性維護。

5 結束語

齒輪箱作為雙饋型風電機組核心部件，因其運行工況復雜，所以對產品質量有嚴苛的要求。鑒于這一情況，相關方應建立覆蓋設計、生產、運行全過程的質量監(jiān)督機制，建立良好的維護檢修標準并重點做好齒輪箱螺栓力矩、油品化驗、軸系對中等工作，同時采用振動在線監(jiān)測系統(tǒng)等新技術手段，有效的預判和診斷風機故障并開展預知性維護。