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齿轮箱 论文

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风电机组齿轮箱故障分析 （生产部/中广核内蒙古分公司，孙武） 摘要：随着人口的增长和全球经济的发展，一次能源消耗量不断增加，致使人类面 临着能源利用和环境保护两方面的压力。风能作为一种蕴藏量丰富的清洁可再生能 源，越来越受到世界各国的重视。近几十年来风力发电技术取得了突飞猛进的发 展由于风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣而风电齿轮箱作为风 电机组中最重要同时也是故障率非常高的部件之一倍受国内外风电研究机构的关 注。本文分别从齿轮、轴承、轴的失效形式，齿轮箱润滑和齿轮箱设计、振动等方 面分析了齿轮箱的故障形式。 关键词：风电 风电机组齿轮箱 故障分析 失效引言 面对当前日益枯竭的一次性能源，面向日益紧迫的能源危机，人类对清洁可再生能源的的渴望和需求日趋强烈。近几年，世界各国对新能源研发的热度持续高涨，其中风力发电已成为世界公认的技术最成熟、开发成本最低、最具发展前景的可再生能源之一。大力发展风电产业，开发建设大型风电基地，可大幅度减少我国未来二氧化碳、二氧化硫等氮氧化物的排放量。2012 年 6 月，我国并网风电达到 5258 万千瓦，成为世界第一风电大国在未来 30 年内，风力发电机组的装机容量可能超过核电，成为第三大发电电源。由此可见，风力发电越来越受到国家的重视。 风力发电机组一般都安装在高山、戈壁、山口、海边等风能较大周围无遮挡物的地方，齿轮箱、发电机等部件安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距离地面几十米甚至上百米高。风力发电机组工作环境恶劣，受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响，机组运行时常伴有振动，并且经常受到风沙、盐雾侵蚀，时常还处于湿度大等一些恶劣环境中。因此其故障率高，其中齿轮箱故障率更是达到风机故障率的 15—20，齿轮箱一旦出现故障，修复将十分困难，严重影响到了风电场的经济效益，因此齿轮箱在风电机组中所占据的重要位置不容忽视。本文分别从齿轮、轴承、轴的失效形式，润滑和齿轮箱设计、振动这六方面分析了齿轮箱的故障形式。1. 中国风电机组齿轮箱的发展现状及其重要作用1.1 风电机组齿轮箱的发展现状 近十年来，风电机组装机容量呈现逐年递增的趋势，中国风电更是飞快的向前发展，现已超越美国成为全球风电并网容量最大的国家。目前我国主要有三家公司制造风力发电机组齿轮箱:南京高精齿轮有限公司重庆齿轮箱有限责任公司杭州前进齿轮箱集团。2006 年南京高精齿轮有限公司牵手 GE 开发风电齿轮箱，成功设计并制造出 1.5MW 风电机组齿轮箱。2006 年 6 月重庆齿轮箱有限责任公司研制成功国内第一台 1.5MW 风电机组增速齿轮箱。2008 年 5 月由杭齿集团杭州前进风电齿轮箱有限公司研制开发的首台 1.5MW 风电机组增速齿轮箱成功通过各种严格测试，交付用户使用。目前国内外主流的风电机组主要有两种，第一种有增速齿轮箱，通过增速齿轮箱驱动发电机，把叶片驱动的主轴低转速增至发电机发出电能所需要的高转速，此类型机组多采用双馈异步发电机。第二种没有增速齿轮箱，把叶片驱动的主轴直接与发电机相连接进行发电，此类型机组的发电机采用永磁体发电机。前一种类型的风电机组技术成熟，兆瓦级风电机组多采用第一种类型，今后很长一段时间仍将是市场的主流机型。第二种风力发电机组虽然省去了齿轮箱，避免了不少由齿轮箱所引起的故障，但造价高却是其最大缺点。1.2 齿轮箱的重要作用 风电机组的发电原理就是将风的动能由风轮转化为机械能，再将机械能由发电机转化为电能。齿轮箱的作用是将风轮的低转速增至发电机所需的高转速，如果没有齿轮箱，我们将需要 200 极磁极发电机。齿轮箱是传动链中最重要的部件，其设计及制造非常关键，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。随着风电行业的发展，更多更大功率的机组投入商业化运营，因而其维修费用更高，虽然各大齿轮箱制造企业对齿轮箱进行了深入研究和性能优化设计，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然故障较多。齿轮箱一旦发生故障，维修将会非常困难，严重影响到了风电场的经济效益。2.齿轮箱故障分析 由于风电机组经常在恶劣的环境中运行，随着风电机组的运行时间逐渐增加，机组不断出现各种故障，近几年来，齿轮箱更是故障频发，有些由齿轮箱厂家直接进行更换，也有的由齿轮箱专业厂家进行修理。一些风电场齿轮箱损坏率竟然高达 40—50，所占风电机组故障比重非常大，对其应该进行深入研究及认真分析。归纳起来，齿轮箱故障形式主要有以下几方面。2.1 齿轮失效2.1.1 轮齿折断 轮齿折断有多种形式，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断如图一。 此外，在轮齿过载时也可能出现过载折断或剪断。过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有轴承损坏、突然冲击（阵风情况）、大硬物挤入啮合区等。在齿轮经过严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷下发生折断如图一。 图一 轮齿折断 在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作表面上的接触线为一斜线如图二所示，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局 部折断。 图二 斜齿轮局部折断 为了提高轮齿的抗折断能力，可采取下列原则：1用增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。2.1.2 齿面磨损 根据不同的磨损机理，可将齿轮的磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。 磨粒磨损主要是梨沟和微观切削作用，外部进入轮齿啮合工作面的游离硬颗粒（如在检查齿轮箱时空气中的尘土进入箱体，齿轮磨损造成的金属微粒和更换润滑油品时带入的杂质异物等）或硬的轮廓峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程就是磨粒磨损。 粘着磨损与表面分子作用力和齿轮副摩擦生热密切相关，当轮齿表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，形成粘着磨损。 疲劳磨损是在循环应力作用下轮齿表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果，随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从轮齿表面上脱落下来，致使轮齿上出现许多月牙形浅坑。 而腐蚀磨损则是由环境介质的化学作用和机械作用共同产生。例如齿轮副受到空气中的酸或润滑油中残存的少量无机酸（如硫酸）及水分的化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失所形成的磨损。 在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。例如，齿轮疲劳磨损的磨屑在啮合的两齿面间移动，类似于研磨作用，会引起接触齿面的磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的洁净表面又可能增大分子的粘附力，从而引起粘着磨损，同时轮齿材料的分子由于氧化作用或与周围介质发生化学变化，又可导致腐蚀磨损的产生。齿轮的微动磨损就是一种典型的复合磨损。在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式（齿面磨损如图三）。 图三 齿面磨损2.1.3 齿面点蚀 风电机组齿轮箱齿轮传动形式为闭式传动，润滑环境良好，因此齿面点蚀是最常见的轮齿失效形式。所谓点蚀就是齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象（图四）。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。 图四 齿面点蚀 轮齿在啮合过程 中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对滑动速度愈高，愈易在齿面间形成油膜，润滑也就愈好。当轮齿在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其他部位扩展。从相对意义上说，也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低）。 提高齿轮材料的硬度，可以增强轮齿抗点蚀的能力。在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀，延长齿轮的工作寿命。并且在合理的限度内，润滑油的粘度愈高，上述效果也愈好。因为当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会浸入裂纹，而且粘度愈低的油，愈易浸入裂纹。润滑油浸入裂纹后，在轮齿啮合时，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展，这是不利之处。所以对速度不高的齿轮传动，以用粘度高一些的润滑油来润滑为宜；对速度较高的齿轮传动（如圆周速度12m/s），要用喷油润滑即强制润滑（同时还起散热的作用），此时只宜用粘度低的润滑油。风电机组齿轮箱输出轴为高速轴，因此须使用强制润滑方法且宜用粘度稍低的润滑油来润滑轮齿，以减少齿面点蚀现象。2.1.4 齿面胶合 由于轮齿在啮合时，齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑效果差，齿面间的润滑油膜就会被破坏甚至是消失，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对滑动运动，相粘结的部位即被撕破，于是在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，称为胶合，如图五中的轮齿左部所示。传动时的齿面瞬时温度愈高、相对滑动速度越大的地方，越易发生胶合。 图五 齿面胶合 加强润滑 措施，采用抗胶合能力强的润滑油，在润滑油中加入极压添加剂等，均可防止或减轻齿面的胶合。2.1.5 塑性变形 塑性变形属于轮齿永久变形一大类的失效形式，它是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。塑性变形又分为滚压塑变和锤击塑变。滚压塑变是由于啮合轮齿的相互滚压与滑动而引起的材料塑性流动所形成的。由于材料的塑性流动方向和齿面上所受摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处将被碾出沟槽，而在从 。锤击塑动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。这种现象称为滚压塑变（图六）变则是伴有过大的冲击而产生的塑性变形，它的特征是在齿面上出现沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线相一致。提高轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。 图六 塑性变形2.2 轴承失效 ，也有的齿轮箱高速轴 齿轮箱轴承为滚动轴承，多为圆柱滚子轴承（图七）上用短圆柱滚子轴承和四点接触球轴承相组合（图八）。齿轮箱轴承在齿轮箱中是非常重要的部件，一旦轴承失效，齿轮箱其他部件便不能正常运转，不及时处理轴承故障，整个齿轮箱在带病运行的情况下很可能彻底损坏，无法修复。 图七 齿轮箱常用轴承 图八 圆柱滚子轴承、球轴承组合 轴承在运转过程中，内、外圈与滚动体表面之间经受交变载荷反复作用，由于安装、润滑、维护等方面的原因，而产生磨损、点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷（图九），使轴承失效，从而使齿轮副和箱体产生损坏。润滑油不足，会使轴承散热不充分，导致轴承烧伤；润滑油不清洁会使轴承滚动体和滚道过度磨损；装配不当会使轴承卡死、胀破内圈、挤碎内外圈和保持架等。另外，风电机组中齿轮箱高速输出轴和发电机轴必须进行严格对中，否则会造成轴承在运转过程中受力不均匀，产生振动和噪音，伴随有严重发热现象，很快便会损坏轴承，从而进一步损坏齿轮、齿轮轴和箱体。 轴承失效后，在运转时通常会出现强烈的振动、噪声和发热现象。据统计在影响轴承失效的众多因素中，属于安装方面的原因占 16，属于污染方面的原因也占 16，而属于润滑和疲劳方面的原因各占 34。使用中 70以上的轴承达不到预定寿命。因而，重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，严格按照规范进行安装调试，加强对轴承运转的监控是非常重要的。通常在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温现象进行监控，同一箱体上不同轴承之间的温差一般也不超过 15 摄氏度，要随时随地检查润滑油的变化，发现异常立即停机处理。 轴承内圈磨损 轴承内圈严重点蚀和剥落 表面剥落 轴承烧伤 图九2.3 断轴 断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。究其原因是轴在制造过程中没有消除应力集中因素，在载荷过大或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。因而对轴上易产生应力集中的部位要给予高度重视，特别是在不同轴径的轴肩过渡区要有圆滑的圆弧过渡，此处不允许有切削刀具刃尖的痕迹，粗糙度要求较高，轴的强度要足够，轴上的键槽、花键等结构的设计也不能降低轴的强度。保证其他相关零件的刚度，防止轴变形，也是提高轴可靠性的有效措施。2.4 齿轮箱润滑对齿轮箱使用的影响 在风电机组运行过程中齿轮箱的润滑系统必须良好否则会损坏齿面或轴承，良好的润滑不仅能够对齿轮和轴承起到保护作用还具有如下性能:1吸收冲击和振动，减小摩擦和磨损具有高的承载能力防止轮齿胶合；2防止轮齿或轴承疲劳点蚀；3冷却、防锈、抗腐蚀。齿轮箱失效原因中，润滑不良占很大比例。 齿轮箱的润滑十分重要，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱采用飞溅润滑或强制润滑，风电机组齿轮箱一般以强制润滑为多见。因此，配备可靠的润滑系统尤为重要。在机组润滑系统中，齿轮泵从齿轮箱内将油经滤油器输送到齿轮箱的润滑系统，对齿轮箱的齿轮和轴承进行润滑，管路上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转过程中不会出现断油现象。齿轮箱在运行过程中，润滑油还应该保持在适当的温度范围内，一般来说，最高油温不超过 80℃，最低油温不低于 10℃。因此润滑系统必须结合冷却和加热系统才能确保齿轮箱运行在正常的温度环境下。 保持润滑油液的清洁也非常重要，即使是第一次使用的新油，也要经过过滤。系统中除了主过滤器外，还应加装旁路滤油器或辅助滤油器，以确保油液的清洁。风力发电机组齿轮箱属于闭式齿轮传动类型，其主要的失效形式是胶合和点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。齿轮箱在投入运行前，应加注齿轮箱厂家规定的润滑油品，润滑油品第一次更换和其后更换的时间间隔，由风力发电机组实际运行工况条件来决定。齿轮箱润滑油品的维护和使用寿命受油品的实际运行环境影响，在油品使用过程中，分解产生的各种物质，可能会引起润滑油品的老化、变质，这些都是影响润滑油品使用寿命的重要因素，会对油品的润滑能力产生很大的影响，降低润滑油品的润滑效果，从而影响齿轮箱的正常运行。新投入运行的风力发电机组，齿轮箱首次投入运行磨合 250h 后，要对润滑油品进行采样分析，根据分析结果可以判断齿轮箱是否存在缺陷，并采取相应措施及时处理，避免齿轮箱损坏较严重时才发现。齿轮箱油品第二次分析应在风力发电机组重新运行 8000h（最多不超过 12 个月）后进行，若油质发生变化，氧化生成物过多，并且超过一定比例时，就应该及时更换。如经分析认为该油品可以继续使用，那么再间隔 8000h（最多不超过 12 个月）后对齿轮箱润滑油品进行再次采样、分析；如果润滑油品在运行 18000h 后，还没有进行更换，那么润滑油品采样分析的时间间隔将要缩短到 4000 运行小时（最多不超过 6 个月）；如果风力发电机组在运行过程中，出现异常声音或发生飞车等较严重故障时，齿轮箱润滑油品的采样分析可随时进行，以确保齿轮箱的正常运行。通过专业机构的分析可以使风场维护人员知道齿轮箱油品的使用情况，包括燃烧后的碳粒子的浓度、金属粒子的浓度跟大小、油添加剂及酸性等，并以此来判断润滑油品是否失效，齿轮箱当前运行状况是否良好。2.5 齿轮箱设计对齿轮箱运行的影响 与其它工业用齿轮箱相比风电齿轮箱安装在距地面几十米甚至上百米高的狭小机舱内其本身的体积和重量对机舱、塔架、基础、机组载荷、安装维修费用等都有重要影响。所以减小齿轮箱的外形尺寸和减轻其重量显得尤为重要。同时由于维修不便、维修成本高通常要求风电机组齿轮箱的设计寿命为 20 年对可靠性的要求也极其苛刻。风电机组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。目前齿轮箱的设计主要存在以下问题:1）国内缺乏基础性的研究工作和基础性的数据对国外技术尚未完全掌握自主创新能力不足；2）严重缺乏既掌握低速重载齿轮箱设计制造技术又了解风电技术的人才缺乏高水平的系统设计人员；3）未完全掌握大型风电机组齿轮箱的设计制造技术产品以仿制为主可靠性不高质量稳定性较差；4）缺乏大型试验装置及测试手段；5）缺乏行业资源共享、信息互通、共同发展的平台和机制；6）与进口齿轮箱相比价格差距过大市场价位偏低齿轮箱制造商承担的风险较大不利于产品可靠性的提高、行业的快速发展及企业研发资金的投入。我国目前对大型风电齿轮箱的设计制造技术尚缺乏系统深入的研究现场运行维护经验和基础数据还比较匮乏设备国产化率较低可靠性不高。 由于风载荷的不稳定性设计时缺少复杂的载荷数据，使得设计与实际具有一定的偏差造成齿轮表面咬伤甚至表面载荷过大而疲劳破坏。如果轴承选择不合适由于轴向载荷非常大会造成轴承损坏。2.6 机组振动对齿轮箱运行的影响 风电机组长期运行在恶劣的环境中运行过程中时常伴随有振动现象，振动对机组的稳定运行非常不利。但是机组运行过程中的振动现象却无法避免，随着 ，甚至运行时间的增长，齿轮箱振动将导致齿轮偏心，损坏轮齿和轴承（图十）是断轴等严重机械故障。研究齿轮箱的振动特性主要是了解其固有振动频率、振型、形变等要避免不同部件固有频率相同发生共振另外避免齿轮工作在故障频率。因此，必须采取一些必要措施来减少振动。目前，风电机组齿轮箱常用的减振措施是安装减振支撑，从而达到减振降噪的目的。 由于振动导致的轮齿磨损印痕 由于振动引起的轴承内圈损伤 图十 目前大部分机组采用三点支撑结构（图十一），即主轴通过胀紧套直接与齿轮箱相连接，主轴轴承与齿轮箱两侧的弹性支撑共同构成三点支撑结构。齿轮箱减振系统主要采用的是轴瓦式弹性支撑，轴瓦式齿轮箱减振支撑由上、下两瓣弹性体组成 。 （图十二） 弹性体采用偏心式结构设计在一定的温度和压力下硫化成型。这种结构的齿轮箱减振支撑的承载能力强能够承受来自径向和轴向的冲击载荷有良好的阻尼及减振性能。 图十一 三点式支撑 图十二 弹性体结论 在风电机组中，齿轮箱是最重要的部件之一，必须正确安装和使用，定期进行维护，以延长其使用寿命，保证其运行的可靠性与经济性。风力发电机组工作环境复杂恶劣，所受风载荷多变不稳定，故障类型多，齿轮箱更是机组中的核心部件，必须对其进行实时监控。实时监控有助于我们了解齿轮箱的实时运行状况，判断其可能的故障点或将要发生的故障类型。在已经发生的故障类型基础上总结经验教训，探究故障发生的根本原因，指导日后的故障处理，避免不必要的故障再发生。在齿轮箱日常的维护工作中必须按照科学的方法对其进行定期检查和维护，按时对润滑油品进行检测更换，保证润滑系统工作在良好状态下。齿轮箱高速输出轴和发电机轴一定要进行科学正确的对中，避免由于不对中引起的故障。 综上所诉，齿轮箱的失效必须引起我们的高度重视，并且要正确分析故障产生的原因，采取必要的措施，争取今后把齿轮箱的故障率降到最低，减少经济损失，保证风力发电机组稳定安全的运行。 参考文献1 濮良贵，纪名刚，机械设计M.北京:高等教育出版社，2006.2 姚兴佳，宋俊，风力发电机组原理与应用M.北京:机械工业出版社，2009.3 张彼德 齿轮箱振动分析及故障诊断D.重庆:重庆大学2005.4 刘忠明 段守敏王长路.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望J.机械传动2006 3:1-6.

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