閆云強

（國電電力內蒙古新能源開發有限公司，010030）

　　摘　要：風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，因此，保證齒輪箱中齒輪正常工作對于風電機組尤為重要。

　　關鍵詞：齒輪；斷裂；故障
　　1.概述
　　風能是太陽能的一種轉換形式，是一種重要的自然能源。據估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉化為風能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74×10⁹MW，其中可利用的風能為2×10⁷MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。風能作為一種無污染、可再生的綠色能源，它對于解決全球性的能源危機和環境危機有著重要的意義。由于科學水平的進步，和風能自身清潔、環保的特點，風能被應用到發電行業。因此，風力發電成為各國學者研究的重點。
　　2.風電機組齒輪箱常見故障及排除方法
　　2.1齒輪損傷
　　齒輪損傷的影響因素很多，包括選材、設計、加工、熱處理、安裝調試、潤滑和使用維護等。常見的齒輪損傷有齒面損傷和輪齒折斷兩類。輪齒折斷（斷齒）常由細微裂紋逐步擴展而成。根據裂紋擴展的情況和斷齒原因斷齒可分為過載折斷（包括沖擊折斷）、疲勞折斷以及隨機斷裂等。過載折斷總是由于作用在輪齒上的應力超過其極限應力，導致裂紋迅速擴展，常見的原因有突然沖擊超載、軸承損壞、軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區等。斷齒斷口有呈放射狀花樣的裂紋擴展區，有時斷口處有平整的塑性變形，斷口副常可拼合。仔細檢查可看到材質的缺陷齒面精度太差，輪齒根部未作精細處理等。疲勞折斷發生的根本原因是輪齒在過高的交變應力重復作用下，從危險截面（如齒根）的疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴展，使輪齒剩余截面上的應力超過其極限應力，造成瞬時折斷。產生的原因是設計載荷估計不足，材料選用不當，齒輪精度過低熱處理裂紋，磨削燒傷，齒根應力集中等。
　　隨機斷裂的原因通常是材料缺陷、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人嚙合區引起。齒輪疲勞是在過大的接觸應力和應力循環作用下，輪齒表面或其表層下面產生疲勞裂紋并進一步擴展而造成的齒面損傷，其表現形式有早期點蝕、破壞性點蝕、齒面剝落和表面壓碎等。特別是破壞性點蝕，常在齒輪嚙合線部位出現，并且不斷擴展，使齒面嚴重損傷，磨損加大，Z終導致斷齒失效。
　　膠合是相嚙合齒面在嚙合處的邊界膜受到破壞，導致接觸齒面金屬融焊而撕落齒面上金屬的現象，很可能是由于潤滑條件不好或有干涉引起，適當改善潤滑條件和及時排除干涉起因，調整傳動件的參數，清除局部載荷集中，可減輕或消膠合現象。
　　風力發電機組齒輪箱的潤滑，是齒輪箱持續穩定運行的保證。齒輪箱潤滑系統如果工作不正常，由于齒面潤滑油膜減少而熱量增加，將造成齒面點蝕、膠合、磨損和軸承的損壞。特別是在我國北方，冬季溫度過低，潤滑油品容易凝固，粘度增大，如果齒輪箱潤滑部位不能得到充分潤滑，長期運行將會導致嚙合齒面有點蝕、膠合及軸承內部滾針磨損現象；夏季溫度過高，如果齒輪箱散熱不好，當風力發電機組在額定功率下運行時，齒輪箱內油品溫度上升較快，那么會造成嚙合齒面油膜變薄，齒面受力增大，容易出現點蝕、膠合現象，因此，較好地解決齒輪箱的潤滑，也是保證齒輪箱穩定運行的條件。
　　齒輪箱潤滑油品的維護和使用壽命受油品的實際運行環境決定，在油品運行過程中，分解產生的各種物質，可能會引起潤滑油品的老化、變質，特別是在高溫、高濕及高灰塵等條件下運行，將會進一步加速油品老化、變質，這些都是影響潤滑油品使用壽命的重要因素，會對油品的潤滑能力產生很大的影響，降低潤滑油品的潤滑效果，從而影響齒輪箱的正常運行。
　　2.2齒輪箱油溫高
　　如果齒輪箱出現異常高溫現象，能是由于風力發電規組長時間出力過高或者是風力發電機組本身散熱系統工作不正常等因素造成。這時要根據具體情況，分析造成齒輪箱油溫過高的原因。首先檢查齒輪箱在運行時，是否有異常，是否在運行時伴有間歇聲音等，必須立刻停止風力發電機組的運行，通過齒輪箱本體的各個觀測孔，仔細檢查齒輪箱各個齒面、軸承情況、各傳動零部件有無卡滯現象，前后連接接頭是否松動，如果正常，要檢查潤滑油供應是否充分，特別是在各主要潤滑點處，必須要有足夠的油液潤滑和冷卻。同時應該采集油樣，進行油品分析，油品是否變質，及時更換潤滑油品；其次，有可能由于本身機組在設計時，對風力發電機組散熱考慮的疏忽，風力發電機組長時間運行時，機艙內散熱性能較差，從而造成齒輪箱油溫度上升較快，出現這種情況，只有改善機艙內部散熱，才有可能減少齒輪箱油溫度上升較快問題，另外，還可以加裝齒輪箱潤滑油品外循環系統。
　　2.3齒輪油位低
　　齒輪箱油位的監測，通常是依靠一個安裝在保護管中的磁電位置開關來完成的，它可以避免油槽內擾動而引起開關的誤動作。同時設定一個浮動開關點，避免由于潤滑油品隨溫度而改變引起油品的粘度和體積波動，不會導致油位開關誤動作。風力發電機組顯示齒油位低時，應及時登機檢查齒輪箱及潤滑管路是否滲漏，油位開關工作是否正常，接線是否有松動，如果出現滲漏，應當及時進行處理。另外，由于油溫較高，潤滑油在齒輪箱外設管路循環時，可能造成齒輪箱本體內油位下降，這種情況一般多出現于新投入的機組，需要補加適量潤滑油品，但不能補加過量，過量地補加潤滑油品會造成潤滑油從高速輸出軸或其它部位滲漏。
　　2.4齒輪油泵過載
　　這類故障多出現在北方的冬季，由于風力發電機組長時間停機，齒輪箱加熱元件不能完全加熱潤滑油品，造成潤滑油品粘度變大，當風力發電機組啟動，齒輪泵工作時，電機過負荷。出現該類故障后應使機組處于待機狀態，逐步加熱齒輪油至正常值后再啟動風力發電機組，避免由于強制啟動風力發電機組時，齒輪油粘度較大造成潤滑不良，而損壞嚙合齒面或軸承等傳動部件。另一常見原因是由于部分使用年限較長的機組，齒輪油泵電機輸出軸油封老化，導致齒輪油品進入接線端子盒，造成端子接觸不良，三相電流不平衡，出現齒輪油泵過載故障，更嚴重的情況是齒輪油品會大量進入齒輪油泵電機繞組，破壞繞組氣隙，造成齒輪油泵過載。出現上述情況后應更換油封，清洗接線端子盒及電機繞組，并加溫干燥后重新恢復齒輪泵運行。
　　2.5軸承損壞
　　軸承是齒輪箱中Z為重要的零件，其失效常常會引起齒輪箱災難性的破壞。軸承在運轉過程中，套圈與滾動體表面之間經受交變負荷的反復作用，由于安裝、潤滑、維護等方面的原因，而產生點蝕、裂紋、表面剝落等缺陷，使軸承失效，從而使齒輪副和箱體產生損壞。據統計，在影響軸承失效的眾多因素中，屬于安裝方面的原因占16%，屬于污染方面的原因也占16%，而屬于潤滑和疲勞方面的原因各占34%。使用中70%以上的軸承達不到預定壽命。因而，重視軸承的設計選型，充分保證潤滑條件，按照規范進行安裝調試，加強對軸承運轉的監控是非常必要的。通常在齒輪箱上設置了軸承溫控報警點，對軸承異常高溫現象進行監控，同一箱體上不同軸承之間的溫差一般也不超過15℃，要隨時隨地檢查潤滑油的變化，發現異常立即停機處理。
　　3.結束語
　　風力發電機組齒輪箱的日常維護與維修技術是保障大型風電機組可靠運行，降低大型維修成本、延長機組使用壽命的重要技術手段。對于我國積極發展風力發電新能源的今天熟知風力發電機組齒輪箱的維護方法和齒輪箱常見故障及排除方法尤為重要。
　　參考文獻
　　[1]姚興佳，宋俊風力發電機組原理與應用[M].機械工業出版社，2009.
　　[2]張志英.風能與風力發電技術[M].北京化學工業出版社，2010.

來源：《科學與財富》2015年第19期