風電齒輪箱故障分析及改進措施
2025-09-10
1 引言
齒輪箱是風力發電機組最為關鍵的部件之一，工作環境十分惡劣，在運行過程中經受載荷的大小和方向都難以預測，瞬間載荷、隨時間變化的變幅交變載荷的大量不確定性等導致風力發電機組極易發生故障，作為風力發電機組中主要傳動部件，齒輪箱是目前風力發電機組最容易產生故障的零部件之一。
風力發電機組一般安裝在荒郊野外、山口、海邊等偏遠地區，增速箱、發電機等部件又安裝于距地面幾十米高度的狹小的機艙內，因為機艙空間有限、環境惡劣、交通不便、齒輪箱一旦出現故障，修復十分困難，另如若齒輪箱出現故障后不能在塔上維修須下塔處理的話，維修費用較高，且整個維修周期較長，將嚴重影響風場的經濟效益。因此減小風電齒輪箱出現故障的幾率，提供風電齒輪箱易維護性，將是風電齒輪箱設計及運行維護過程需重點考慮的問題。
本文將從風電齒輪箱常見故障問題入手，分析故障產生的原因及其影響因素，并提出在齒輪箱設計優化、生產、運行維護過程應注意的問題及可采取的措施以供參考。
2 齒輪箱常見故障及原因分析
風電齒輪箱常見故障有齒輪損傷、軸承損壞及運轉異常、斷軸、滲漏油、齒輪箱異響、振動較大、油溫油壓異常、連接螺栓損壞、潤滑系統故障等。
2.1 齒輪損傷
齒輪損傷主要包括輪齒折斷（斷齒）、齒面疲勞（點蝕）、齒面膠合、齒面磨損等。對齒輪箱中齒輪出現的故障，國內外的觀察結果或報告都較為一致，即發生最多的仍為齒面的損壞，從應用初期的微點蝕，到逐步擴展的大面積點蝕、剝落或磨損。
斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。突發性的陣風或者電網故障導致的突發載荷、發生故障時的緊急制動等，都會產生較大載荷，有時甚至數倍超過額定載荷，引起齒輪的過載折斷；另外軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區等也會引起輪齒的沖擊折斷；齒輪材料缺陷，點蝕、剝落或其他應力集中造成的局部應力過大，或較大的硬質異物落入嚙合區均會引起齒輪的斷裂。在風電齒輪箱內部行星級、低速中間級、高速級都有出現的情況，其中齒輪斷齒的情況最為嚴重，一旦出現斷齒的情況，大部分齒輪箱需要下塔進行維修。齒輪斷齒如圖1所示。
眾多研究及觀察表明，微點蝕主要發生于低速級，其它級則很少發生。其發生的原因一般認為是和風電齒輪箱的工作狀態如速度及載荷變化頻繁有關，此外齒面的粗糙度及油液的清潔度、含水量、粘性、油性等也對微點蝕的產生有直接影響。齒面潤滑的不充分也往往惡化齒面間的潤滑狀態，進而加劇齒面摩擦和微點蝕的發生。齒輪強度設計不足，齒輪熱處理質量不能滿足要求，齒面硬度不夠等都會導致齒面點蝕的產生。齒面點蝕如圖1所示。
圖1 齒輪斷齒和齒面點蝕
齒面發生膠合，可能原因有潤滑不充分，導致嚙合區溫度升高，導致潤滑失效，兩齒面相互粘連，發生膠合；行星級低速重載，齒面間油膜不易形成或被破壞，產生膠合。
齒面磨損主要原因有潤滑系統濾芯不能及時更換，導致潤滑油臟，鐵屑、雜質等隨潤滑油進入齒面間，導致齒面磨損。
2.2 軸承損壞
由于風電機組工作的特殊性和載荷的復雜性，軸承是風電齒輪箱中一個相對薄弱的環節。統計數據表明早期的風電齒輪箱故障大多是有軸承引起的，隨著現場經驗的增多，目前軸承引起的故障明顯降低，但在齒輪箱故障中仍占有一定比例，其失效常常會引起齒輪箱災難性的破壞。由于涉及選型不當、安裝偏差、潤滑不足等方面的原因，極易發生軸承燒毀，滾道表面發生點蝕、裂紋、表面剝落等損壞及軸承溫度異常等情況。軸承損壞及運轉異常（溫升較快、前后軸承溫差較大）的主要影響因素有初始游隙和配合選擇不當、相鄰部件變形（軸承座、軸）導致游隙變化；油嘴直徑過小、油壓過小、油嘴位置設計不當等導致的潤滑油量過小；軸承選擇不當，軸承所受徑向載荷不能達到軸承最小徑向載荷要求導致的軸承打滑；回油孔設計不當，回油滯留導致回油不暢；潤滑油臟，鐵屑、雜質等隨潤滑油進入滾道間，導致軸承的磨損。
齒輪箱高速軸軸承發生損壞的情況較多，如若高速軸在塔上不可更換或齒輪箱內其它部位的軸承（行星架軸承、行星輪軸承等）損壞后，齒輪箱須下塔進行維修處理。
2.3 齒輪箱滲漏油
齒輪箱的滲漏油情況主要發生在箱體與齒圈結合面、端蓋與箱體結合面、低速軸和高速軸軸頸處、潤滑冷卻系統管接頭處等。箱體與齒圈結合面漏油的可能原因有箱體與齒圈連接螺栓松動、箱體與齒圈結合面安裝密封膠條的環槽設計不當，密封膠條選用不合適等。齒輪箱低速軸、高速軸軸 頸處滲油、漏油主要原因有密封結構設計不合理導致回油不暢、采用盤根接觸式密封，盤根磨損后導致回油孔堵塞、密封件選用不合適等。潤滑系統管接頭處滲漏油主要原因有管接頭松動或是沒有擰緊，管接頭安裝時沒有涂密封膠、管接頭本身密封效果不好等。如圖2所示的高速軸密封結構，此密封結構存在一定滲漏油風險，甩油環甩出的油易附著在端蓋的面上，有可能造成油從端面上重新滴落到軸上，另外密封件（盤根）易被磨損，且磨損產生的顆粒雜物進入回油通道后易將其堵塞，從而影響回油導致高速軸滲漏油。
圖2 某型號齒輪箱高速軸密封結構
2.4 齒輪箱異響、振動大
齒輪箱異響總和振動相伴的，齒輪箱異響及振動較大的情況較多，異響和振動產生的原因分析比較復雜，但是可以確定的是以下各因素都有可能導致齒輪箱產生異響和較大的振動：齒輪件和箱體加工精度不高、各部件裝配誤差較大；齒輪箱箱體強度不高、軸剛度不足，導致齒輪軸發生變形、影響齒輪嚙合產生異響和振動；齒輪傳動因摩擦磨損和疲勞點蝕、剝落使齒輪嚙合精度大為降低，亦會產生異響和振動。
2.5 齒輪箱油溫油壓異常
齒輪箱油溫油壓異常主要表現在齒輪箱油溫偏高、油壓偏高或偏低等。齒輪箱油溫偏高的主要因素有冷卻器冷卻能力設計不夠；主機機艙通風結構設計不當，機艙通風效果不好，導致齒輪箱溫度偏高；潤滑系統溫控閥故障，齒輪箱潤滑油不經冷卻器直接進入齒輪箱；齒輪箱潤滑油壓異常，影響因素有潤滑系統支路故障、潤滑系統故障等。潤滑系統故障主要包括溫控閥問題導致齒輪箱油溫偏高、機械泵抽不起油、潤滑系統電機故障、油泵電機過載（溫度低、粘度大）等。
2.6 其它
2.6.1 齒輪箱連接螺栓損壞
齒輪箱連接螺栓損壞主要發生在箱體和齒圈連接處，主要損壞形式為螺栓斷裂，主要影響因素有齒輪箱受沖擊載荷的作用；螺栓本身質量問題（螺柱整體熱處理效果差，表面質量存在缺陷）；螺栓松動或沒有按規定力矩擰緊，使得螺栓在工作過程被剪斷；
2.6.2穿線管斷裂
風電機組輪轂部分電力和信號線需從齒輪箱空心管穿過與滑環單元連接，因此空心管的故障將影響整機的正常工作。空心管故障主要表現在空心管斷裂，斷裂主要發生在空心管與軸承安裝軸頸焊接部分（圖3中Ⅰ處）。發生斷裂的原因主要是空心管焊接質量達不到要求（如存在焊瘤、咬邊、燒穿、未焊透、夾渣、氣孔、焊接裂紋以及焊縫形狀和尺寸不符合要求等），導致空心管在運轉過程中發生斷裂，出現斷裂后齒輪箱需下塔處理方可進行維修。
圖3 空心管部分結構
2.6.3 齒輪箱油漆脫落
齒輪箱油漆脫落主要表現在齒輪箱外部油漆。齒輪箱外表面油漆脫落主要發生在縮進盤、齒輪箱內齒圈表面，主要原因是縮緊盤、內齒圈表面表面光潔度較高，油漆附著力達不到要求。
2.6.4箱體內部齒輪生銹
齒輪箱長時間存放，箱體內部齒輪件上防銹油膜損壞失去防銹功能，導致齒輪件表面出現銹蝕現象，銹蝕情況較輕，可通過跑合除出銹蝕，對于銹蝕較嚴重的齒輪箱需開箱進行除銹。
2.6.5 箱體開裂
低溫條件下齒輪箱受沖擊載荷作用，齒輪箱箱體或齒圈發生開裂，主要原因是箱體材料本身或熱處理達不到要求導致低溫時的脆性斷裂。
3 風電齒輪箱的設計及運行維護建議
針對風電齒輪箱出現的上述問題，要求齒輪箱在設計、運行維護過程中必須采取相應措施，以減小上述問題出現的概率，下面將從齒輪箱設計、運行維護養方面提出相關建議予以參考。
3.1.齒輪件的精加工及修形
研究表明，較低的表面粗糙度對抑制齒面微點蝕的產生和改善齒面間的潤滑條件，減少磨損，降低摩擦，延長齒輪副的運行壽命及增強抗腐蝕疲勞的能力均有著十分明顯的影響。
目前國內齒輪件的表面粗糙度要求為Ra0.8，甚至低于這個要求，據報道國外最終齒面粗糙度可達Ra0.2~0.4，這一工藝目前在我國尚未采用。建議齒輪箱制造商應充分利用現有工藝手段，通過改變磨削介質和工藝參數，采用精磨方法盡量接近上述目標，以便為穩定批量生產高性能風電齒輪箱提供硬件保證。
另外提高齒輪件的加工精度，利用先進的技術和軟件進行齒輪的修形，可避免齒輪在傳動中受載變形、減小偏載，使載荷平穩過渡，明顯降低齒輪箱的噪聲和振動。
3.2 齒輪箱的優化設計
高速軸部套故障在風電齒輪箱故障中占得比例較高，是齒輪箱極易出現故障的部件，如若高速軸不具備可拆卸條件，高速軸部套出現故障后齒輪箱只能進行下塔維修，維修成本及維修周期將增加，因此齒輪箱在設計過程中，高速軸部套須具備可拆卸的條件。早期設計的齒輪箱，大多齒輪箱高速軸 不具備可拆卸的條件，后續產品維修過程中，高速軸單元須做進一步的優化，使高速軸具備可拆卸的條件。
隨著海上風電技術的發展，對風電齒輪箱也提 出的更高的要求，因海上風電機組的維護成本較高，要求除了高速軸部套具備可拆卸條件外，其它部套亦具備可拆卸的條件，因此風電齒輪箱的模塊化設計要求將愈加強烈。
因螺栓質量問題導致齒輪箱箱體和內齒圈連接螺栓斷裂的情況時有發生，若連接螺栓損壞后不能及時進行更換，將影響齒輪箱的正常運行，因此要求齒輪箱外部連接螺栓須具備開拆卸的條件，即不存在因螺栓干涉導致不可拆卸的情況。
對于鎖緊盤、內齒圈因表面光潔度較高使得油漆附著力達不到要求導致脫漆的現象，在設計時可通過增加其表面粗糙度以提高油漆附著力。對于已加工的，可通過滾花等措施來增加其表面粗糙度。
對于穿線管斷裂的情況，可通過優化其焊接部分的結構或將空心管部分改成整體式結構。焊接部分優化包括增加焊接部分的配合長度，提高焊接質量等。
3.3 齒輪箱的運行維護建議
為了防止齒輪箱內部齒輪件生銹，對于庫存時間較長或長時間停止運行機組的齒輪箱須定期進行竄油，使齒輪件上的油膜再次形成以避免齒輪件銹蝕現象的出現。
空氣過濾器可吸收空氣中的潮氣，除去空氣中的微塵等雜質，因此可減緩液壓系統中的氧化作用，延緩液壓油和整個設備的使用壽命，同時平衡齒輪箱與外界的氣壓平衡（齒輪箱內部壓力過大導致滲油），因此應定期檢查空氣過濾器的工作狀態。空氣過濾器中干燥劑的顏色會發生變化后，空氣過濾器的除濕能力已用盡，因此應定期檢查空氣過濾器，以保持空氣過濾器的除濕和除塵能力
為保持潤滑油的清潔度，須定期檢查更換濾芯和潤滑油，至少每6個月檢查一次濾芯，在齒輪箱啟動8-12周之后應該第一次更換濾芯。此后，如果有需要時可以隨時更換，但至少每年更換一次。潤滑油更換周期不得大于36個月，除非油樣已經過測試并且證明是可以使用的。
機組在運行過程中，應避免緊急剎車，要求每年緊急剎車不超過三次，需要剎車時，采用偏航和變槳的方式先卸載，降低齒輪箱的載荷和輸出的轉速，采用點剎的方式，逐步降低輸出轉速，減小對齒輪箱的沖擊，同時避免機組長時間超負荷運行，使齒輪箱長時間過載運行，造成齒輪箱損壞。
來源： 能源情報網信息監測服務平臺
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