风电齿轮箱断齿问题分析

风电齿轮箱断齿问题分析一、引言近年来中国的风电产业蓬勃发展，2011年全国新增装机容量达18ＧＷ，居世界第一。以华锐风电科技（集团）股份有限公司、金风科技股份有限公司、国电联合动力技术有限公司为代表的一批本土风电装备及关键零部件制造企业正在迅速崛起，推动我国发展成为世界上最大的风电装备制造基地。但我国自主风电装备制造仍然面临着一些深层次的问题，值得深思，且直接体现在以下两方面：一是中国区域气候特点明显，北方具有沙尘、低温、冰雪等恶劣工况，东南沿海具有台风、盐雾等恶劣工况，这与欧洲的标准风况（ＩＥＣ６１４００－１）差异明显，使得在引进技术基础上制造的风电装备的可靠性不足，故障率较高。我国北方的大型陆上风场普遍存在的长时间干燥扬尘的低温气候，对风电机组正常运行的影响非常大，会导致叶片表面损伤乃至脆断，而且液压系统密封不良、污染、液压油黏度增大等会产生工作不良及安全问题，齿轮箱密封润滑系统功能退化、低温停机较长时间后变速箱内油温低、黏稠等都会降低系统寿命，而西欧的海洋性暖温带气候则要温和得多，对风电设备的性能影响也小。二是当前国内的风机开发与欧美发达国家还存在着明显代差。欧美风电装备制造企业已经跨域了5—6ＭＷ的水平，正在大力推进10ＭＷ级风电装备的研制工作，而国产主流机型还处于1.5—3ＭＷ的级别。更重要的是我国风电制造企业在核心技术上基本处于引进吸收和模仿阶段，尚未具备系统性的装备自主研发能力，引进的是产品线及部分生产技术，但是没有形成系统的设计开发能力和生产技术开发能力。这也是我国在风电装备开发、生产和应用上与国际先进水平差距显著的重要原因。分析近年来我国风电装备产业的发展历程，多数风电装备制造企业的技术能力与实际的设备可靠运行要求之间还存在着显著的差距。从风电装备服役运行中的主要技术问题做起，探究相关的设计制造科学理论与先进技术方法，提升自主设计能力及制造技术能力，已成为我国风电装备制造产业健康发展的重大课题。因此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》和《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（2010）中都明确提出了“重点研究开发大型风力发电设备”、“提高风电技术装备水平，有序推进风电规模化发展”等要求。总体上说，因主传动链机械故障导致停机的时间占据了风机故障停机时间的40%—60%甚至更多，是影响系统性能和可靠服役的关键问题（国产风电齿轮箱的问题更显著一些）。导致这些机械故障产生的主要外在因素可以归纳为极端气候条件、长期交变载荷作用、恶劣工作环境与复杂载荷的综合作用等，而主要的内在原因则可以追溯到传动系统的结构及装配质量技术等问题。目前新一代风机随着单机容量的增大，部件的尺寸、质量、系统复杂程度都在增加，同时包括海上风机在内的装备发展对系统可靠性的要求在进一步提高，因此对传动系统的相关问题如果不给予更大重视，必然会增加系统的故障率，降低服役可靠性。二、断齿问题分析1.齿轮损伤齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。对齿轮箱中齿轮出现的故障，国内外的观察结果或报告都较为一致，即发生最多的仍为齿面的损坏，从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断；另外轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等也会引起轮齿的冲击折断；齿轮材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区均会引起齿轮的断裂。在风电齿轮箱内部行星级、低速中间级、高速级都曾出现的情况中，齿轮断齿的情况最为严重，一旦出现断齿的情况，大部分齿轮箱需要下塔进行维修。2.断齿是主要包括疲劳断齿和过载断齿两种形式,其中大多数为疲劳断齿。发生断齿时齿轮箱箱体振动信号的主要特征为:1)频域:以齿轮所在轴转频及其高阶谐波成分为主。2)时域:振动均方根值大幅度的增加。3.齿轮损伤分析：A.齿面磨损(l)磨粒摩擦导致的磨损在齿轮啮合过程中,若润滑不良或齿面上存在微小颗粒,齿面均将发生剧烈的磨损,这种磨损被称为磨粒磨损。当齿轮齿面受到磨粒磨损时,齿面颜色变暗,沿滑道方向会出现细而均匀的磨痕。磨粒磨损剧烈时,会使齿形发生变化,齿厚变薄,严重时还会导致断齿。(2)腐蚀作用导致的磨损腐蚀磨损是在化学腐蚀和机械磨损共同作用下,产生一系列的小坑,并在啮合齿面上沿滑动速度方向出现均匀而细小的磨痕。其中以化学腐蚀为主,磨损产物主要成分为FeZO3。化学腐蚀磨损产生的原因是由于润滑剂中存在污染物或杂质,与轮齿发生化学或电化学反应,腐蚀部分在啮合摩擦和润滑剂冲刷的共同作用下脱落。(3)冲击作用导致的磨损齿轮轮齿端面受到冲击载荷作用将会导致磨损。齿轮表面硬度过低,则轮齿端面容易磨损或起毛刺;硬化层过浅,则易被压碎,进而暴露出心部的软组织;齿轮心部硬度过高或金相组织中碳化物含量过低,轮齿尖角处容易发生现崩裂现象。B.齿面胶合擦伤胶合现象是啮合齿面的金属,在一定压力下直接接触发生“焊合”,继续相对运动作用导致齿面金属撕落,或从一个齿面向另一个齿面转移而引起的损伤现象,是一种非常严重的磨损形态。接触面局部发生粘合,接触面上的小颗粒在相对运动下从粘合处分离出来,该过程反复进行多次后,齿面即发生破坏。胶合损伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中,主要是由于润滑条件不良,齿面间的油膜破裂所致。胶合磨损在齿面沿滑动速度方向会出现条状沟纹,沟纹粗糙。齿顶和齿根处的磨损比较严重,齿轮箱运转时,产生的噪声等级明显升高。胶合分为冷、热两种,冷胶合产生的沟纹比较清晰,热胶合一般会伴有变色现象,这是由于高温烧伤所致。冷胶合一般发生在重载低速传动的情况下。其产生原因是由于局部压力过高,造成轮齿表面油膜破裂,啮合的轮齿金属表面直接接触,在受压力产生塑性变形的同时,由于分子相互的扩散和局部再结晶等原因,接触点发生粘合,继续相互运动时,粘合点被撕开,进而形成了冷胶合撕伤。与冷胶合不同,热胶合通常发生在重载高速或中速传动中。这种现象产生是由于齿面接触点局部温度的升高导致油膜及其他表面膜破裂,致使表层金属熔合后发生二次撕裂。值得注意的是,新齿轮在未经磨合前,也常常会在某一局部产生胶合现象,使齿轮产生胶合磨损。C.齿面接触疲劳(l)点坑疲劳剥落点坑疲劳剥落是指齿轮在接触应力作用下,工作表面出现痘斑、片状的疲劳损伤点坑,根据出现的时期以及危害性,主要分初始点坑和破坏性点坑两类。初始点坑是由于存在微小的加工误差、表面不光滑等齿轮加工误差所致。齿轮在正常工作载荷作用下,产生超出材料疲劳极限的应力,经过一段循环次数就产生了疲劳剥落,并形成一系列深度小于0,Illun、直径小于1~的细小点坑。破坏性点坑多出现在接触应力较大、循环次数较多的情况下,初始点坑产生的次生裂纹进一步发展成剥落面积较大、较深的剥落坑,深度一般小于0.4~。(2)浅层疲劳剥落浅层疲劳剥落是由点坑疲劳剥落进一步发展而成的,呈鳞片状,坑深大约为0.4nun,但是没有超出硬化层深度范围。在齿轮表面粗糙度低、相对摩擦力小时均会导致这种剥落现象。(3)硬化层疲劳剥落齿轮浅层疲劳剥落进步一恶化,点坑深度超过硬化层过渡区同时伴有大块状剥落的现象被称为硬化层疲劳剥落。D.弯曲疲劳与断齿弯曲应力呈周期性变化,当这部分应力过高时,齿轮根部会产生具有扩展性的裂纹,当轮齿无法承担弯曲应力时,就会发生断齿。齿轮工作过程中,严重的冲击、过分偏载以及材质不均都有可能引起断齿。常见的断齿形式有三种:齿轮轮齿沿齿根整体断裂、局部断裂和轮齿出现裂纹。在断齿部位能够明显看到分为三个区域:裂纹源区、裂纹扩展区和最终瞬间断裂区。E.轴不对中、弯曲和不平衡多对轴通过联轴器连接在一起,就形成了我们常说的轴系,如果设计不合理,制造工艺出现偏差,安装或者使用过程中操作不当,就可能会产生不对中现象。不对中现象会对齿轮箱的运行状态产生较大的影响。当轴受到超过疲劳极限的瞬时冲击载荷作用,或者长期工作在存在较大偏载的工况下,在使用过程中轴受到过大的瞬时冲击载荷的作用,或长期在较大的偏载工况下工作时,转轴会发生弯曲。不平衡也是轴系常出现的一种失效形式,齿轮箱中的轴不平衡的原因如下:(1)制造原因导致新轴本身就不平衡:制造过程中工艺流程不合理,加工存在存在较大误差等均会导致此现象的发生。(2)冲击载荷作用:工作过程中,轴受到很大的瞬时冲击载荷作用,产生弯曲或永久变形。(3)疲劳作用:齿轮箱长期工作在较大的偏载工况下时,往往会由于疲劳作用而产生永久变形。轴的失效在大多数情况下会表现为齿轮的失效,这是因为齿轮和轴承均是安装在轴上,由于力的传递作用,导致齿轮的啮合状况也会发生变化。三、国内外现状1.国内外在风电齿轮传动系统设计制造技术领域的差距自２０世纪９０年代开始，在引进吸收的基础上，我国风电装备制造业迅速崛起，目前已经发展成为世界上最大的风电装备制造基地。与先进国家相比，我国在自主的风电装备特别是核心零部件的研制技术方面有较大的差距，主要表现在以下几方面：1)欧美风电装备制造强国已经针对本土风场环境建立了比较完善的技术标准（如ＩＥＣ、ＧＬ等），并以此为基础形成了适合其特点的载荷分析、结构设计及制造技术体系。我国风场环境较欧美国家恶劣，目前却仍然没有建立起具有本国特点的风场环境载荷谱；在风电装备的系统动力学建模、载荷分析与计算等方面的研究与国际先进水平差距相对较大；本土企业大多直接购买国外的软件（如ＧＨ等）进行装备设计或者购买图纸甚至于借助逆向工程。这是目前我国本土风电装备开发能力显著落后于国际先进水平的直接原因之一。2)在风电装备关键零部件的失效机理和全寿命安全评定方面，目前国际风电装备普遍设计的稳定运行周期至少为２０年，欧美国家目前正在开发能支撑装备２５～４０年服役周期的关键技术。借助于欧美国家在材料的机械物理性能研究上的优势及其长期工作积累，欧美国家在风电装备关键零部件的失效问题上做了大量的工作，从宏微观层面深入研究了零部件失效的规律，形成了较为实用的可靠性分析方法，并建立了大型的设备—材料可靠性数据库等。比较而言，国内风电装备通常在运转５年之内就会出现关键故障。这主要是因为我国在风电装备基础设计制造科学方面与国际先进水平存在着明显的差距，本土风电装备制造企业虽然发展迅速但自主研发能力不足，研究积累更为欠缺。3)在满足复杂环境下安全服役需求的大型风电装备制造技术方面，根据欧洲风能协会（ＥＷＥＡ）２０１１大会披露的未来１０年风电装备发展路线图，欧美国家已经制定了在５年内开发测试１０～１５ＭＷ的风电装备，未来１０年将开发测试２０ＭＷ的超大型风电装备，这涉及了包括多尺度结构热冷加工和处理在内的关键零部件成形控性理论及其制造工艺方法等多方面的工作。目前我国基本掌握了３ＭＷ以下风电装备的主要制造技术。由于我国在关键零部件加工及处理技术上还比较落后，装备的质量亟待提高。要在未来１０年追赶欧美国家在超大型（１０～２０ＭＷ）、长寿命（２０年甚至更长）风电装备关键技术上的研究步伐，仍然是一个巨大的挑战。4)近几年来国内大型风电装备制造发展迅速，产业界多将注意力放在国外产品图纸的消化和零部件加工上，对装配工作的重视还不够，对装配精度及质量分析等的深入研究工作就更少了，这就造成国内风电设备零部件加工的设施及质量已经达到一定的水平，但由于装配技术瓶颈，风电装备的总成性能和可靠性却比较低的现状。另外，还明显存在诸如高强连接螺栓断裂、螺栓力矩不足或超标、齿轮啮合间隙超差过大、关键零部件在装配时发生损伤破坏（如轴表面存在凹坑、对中精度不足）等技术质量问题［２４］。装配是风电齿轮箱制造中的重要环节，花费时间长，对最终性能影响大，必须深入研究大型风电齿轮传动系统的先进装配技术，提出适应风电设备的技术特点、具有可操作性的理论和方法，为产业健康发展服务。国内风电装备的产业发展（包括传动结构的设计制造中存在的隐患）近年来已经广受关注，例如张立勇等［２５］指出，国内大型风电齿轮传动系统的发展必须解决基础载荷数据及载