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1、风电机组齿轮箱故障研究和改进措施 【摘要】我国风电企业正努力实现风力发电技术装备国产化,推动我国风力发电技术大规模商业化发展。齿轮箱作为风电机组的核心部件,对机组质量起到至关重要的作用,及早地发现齿轮箱的早期故障以及尽快找到齿轮箱故障原因,采取相应的措施,对避免发生重大人身、设备伤亡事故有着十分重要的意义。【关键词】风电机组齿轮箱故障改进措施中图分类号：TG457.25文献标识码：A风电机组一般安装在荒郊野外、山口、海边等偏远地区，增速箱、发电机等部件又安装于距地面几十米高度的狭小的机舱内，因为机舱空间有限、环境恶劣、
2、交通不便，齿轮箱一旦出现故障，修复十分困难。如果齿轮箱出现故障后不能在塔上维修须下塔处理的话，维修费用较高，且整个维修周期较长，将严重影响风电场的经济效益。因此减小风电齿轮箱出现故障的几率，提供风电齿轮箱易维护性，将是风电齿轮箱设计及运行维护中需重点考虑的问题。一、风电机组齿轮箱运行现状近年来随着风电机组单机容量的不断增大,以及风电机组的投运时间的逐渐累积,由齿轮箱故障引起的机组停运事件时有发生。风机停止工作,一是机器有效运行时间降低,11发电量减少;二是风机停止发电,会加大风力发电的波动性,增加并网难度;还有就是厂商要
3、派遣专业维修人员进行维修,如果故障严重,还要动用大型起吊工具,这会给厂商造成巨大的经济损失。因此,对齿轮箱故障进行正确的早期预警,以及发生故障后能够迅速查找到故障源,进行正确的故障处理,尽快恢复机组运行是非常有必要的。二、电机组齿轮箱特征频率的计算风力发电机组齿轮箱有三种类型：低速直接驱动采用无增速齿轮箱；混台驱动采用一级齿轮传动；高速驱动有多缓齿轮箱。由于兆瓦级风力发电机叶片的直径较千瓦级的更大，转速更低，要求齿轮箱的增速比更高，所阻兆瓦级风力发电机齿轮箱大多采用多级齿轮结构，其典型结构简单如下图所示，第一级是结构紧凑
4、且坚固的高转矩行星齿轮，第二和第三级为平行轴圆柱齿轮。由于结构、运行特性的不同，各零部件有不同的特征频率，比如固有频率。我们通过机组参数可以查表或计算其特征频率。啮合频率是指任意相互啮合的两个轮齿均转过一个齿距角所用时间的倒数。计算公式为：GMF=ZW(21)式中GM7为啮合频率：Z为齿轮齿数：W为齿轮转速。典型风力发电机齿轮箱结构图11三、常见故障齿轮故障。在风电机组齿轮箱所有组成零件中,齿轮的失效比例最大。其主要失效形式有:齿面磨损、齿面点烛、齿面胶合、齿面塑性变形以及轮齿折断。（1）齿面磨损。齿面磨损的常见形式有腐
5、烛磨损、磨粒磨损和低速磨损三类。第一：腐烛磨损。腐烛磨损是由于润滑油中的某些活性成分会和齿轮材料缓慢发生化学或电化学反应而引起的磨损。腐烛磨损以化学腐蚀为主,腐烛磨损会导致齿面上产生一系列小坑。第二：磨粒磨损。磨粒磨损是由于有金属微粒或其它硬质界物落入齿面之间而引起的磨损。磨粒磨损是开式齿轮传动最常见的失效形式；闭式传动新齿轮在磨合后未予及时清洗或密封不良等导致润滑油污染时,也会引起磨粒磨损。磨粒磨损会使齿面产生划痕,齿面颜色变暗,磨损剧烈时甚至导致齿厚变薄发生齿形变化。第三：低速磨损当齿轮圆周线速度过低(小于0.5m/
6、s)时,相啮合齿面间的弹性流体动力膜厚会变薄,相啮合齿面因直接接触发送连续性磨损,11这种磨损称为低速磨损。（2）齿轮轮齿损伤。齿箱故障中，轮齿故障比例最大。轮齿损伤有轮齿折断、齿面损伤两种形式。轮齿折断是由于设计的应力小于作用在轮齿上的极限应力，或齿轮承受过高的交变载荷，设计疲劳载荷不足。由于齿面承受过大的接触剪应力、应力循环次数、润滑不良、热处理和安装调试等原因，齿面容易发生包括胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等损伤。图1、2为风电齿轮箱齿面损伤和轮齿折断照片。图1：齿面损伤图2：轮齿折断2、基础载荷数据及载荷处理方法
7、方面的问题。风电齿轮箱工作环境恶劣,所承受的载荷情况非常复杂,因此符合实际的载荷数据及其处理方法是风电齿轮箱设计计算的基础。我国不但缺少复杂载荷数据,而且处理方法也不够成熟,对风电机组在工作过程中经常出现的制动载荷、极限载荷等载荷情况的处理还是根据经验进行估算。此外,在变载荷处理过程中运用的线性积累损伤理论也并不能真实反映实际破坏情况。因此,设计计算的基础有问题,也就无法得到载荷数据。3、齿轮早期点蚀。在频繁受到风载变化冲击的情况下,齿轮的微动磨损超过一般设计的预期,从而造成齿轮早期点蚀。防止齿轮早期点蚀的关键在于轮齿修
8、形。在确定修形参数时,需要获得准确的载荷来计算齿轮偏载,再根据偏载情况进行修形,而且需要考虑载荷波动,要尽可能保证齿轮在各种工况载荷及其组合的作用下都具有良好的接触区。4、轴承早期损坏。目前国内风电齿轮箱几乎全部采用进口轴承,主要的国外厂商有瑞典SKF、德国FAG等公司。国内兆瓦以上设备所用的轴承仍处于研发阶段,11
