风电齿轮箱结构故障分析

风电齿轮箱结构类型与工作原理及其维护、使用和故障分析概述•风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、风叶控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定转速，以供发电机能正常发电。因此增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，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。虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德国的Renk公司，Flender公司，JA/KE公司，Eickhoof公司以及一些中小企业在这方面都作了研究，并且有的企业也付出了很大的代价，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然事故较多。因此，采用先进技术，分析其它企业失败的原因，总结和吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，研制高技术性能，高可靠性和良好的可维修性的增速齿轮箱是兆瓦级风力发电机组的关键技术保障。一、风电齿轮箱的传动结构类型与工作原理64.5600KW齿轮箱1600KW齿轮箱2800KW齿轮箱1800KW齿轮箱21000KW齿轮箱z61Xm41500KW齿轮箱齿轮箱工作原理（以600KW齿轮箱为例）•齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星—平行轴混合传动的紧凑结构；低速级转速低，扭矩大，采用行星传动，且主要以太阳轮浮动均载为主。第二级、第三级扭矩小得多，采用斜齿传动，能有效的保证叶尖高压油通道。其具体原理为：首先，通过风带动叶片转动，叶片把转速传到输入轴（1）上。通过输入轴（1）上的花键把力矩传到行星架（2）上，行星架通过内齿圈（3）行星轮（4）和太阳轮（5）组成的行星传动传到太阳轮（5）上，太阳轮（5）通过另一端的花键把力矩传到大齿轮（6）上，大齿轮（6）通过齿轮传动把力矩传到齿轮轴（7）上，齿轮轴（7）通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（8）上。输出轴（8）通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发电机上，供发电机发电。二、齿轮、轴承润滑机理•齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。•对于风电齿轮箱，对于所有的齿轮和轴承我们都要采用强制润滑。原因有：•1、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。•2、现在风电齿轮箱功率越来越大，其功率损耗也越来越大，因此飞溅润滑已经满足不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。•下为润滑实例：（以1500KW齿轮箱为例）平行级齿轮的润滑三、风电齿轮箱的损坏类型及其判断损坏部件故障比例（%）损坏表现形式齿轮60断齿、点蚀、胶合、磨损、疲劳裂纹、其他轴承19烧伤、滚珠脱出、保持架变形轴10断裂、磨损箱体7变形、裂开紧固件3断裂油封1磨损•上表中列举了齿轮箱中各类零件损坏的百分比。由表可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大，为60%。说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加工中是一种高度复杂的成形零件，而在高速、重载下运行的齿轮，其工作条件又相对比其他零部件恶劣。1.疲劳1.局部断齿2.过载3.冲击1.过载2.磨损2.润滑剂不洁齿轮轮齿1.齿面硬度低3.点蚀2.过载损伤原因3.载荷不均1.供油不良4.胶合2.齿轮精度低3.温度过高4.齿面硬度低1.疲劳5.齿根疲劳裂纹2.过载3.齿根圆角处热处理或加工缺陷图示为齿轮主要故障形式及其原因1．断齿1．齿轮轮齿2．严重胶合3．杂物进入2．齿轮轮体1．齿圈断裂2．变形损坏3．轴、联轴节、键1．损伤不能运转1．烧伤4．轴承2．滚柱脱落3．杂物进入5．齿轮箱严重损伤、变形6．动力源故障不能运转7．其它轴承、联轴节损坏齿轮的故障特征预估障间的关系四、风电齿轮箱的使用、维护和检查•以1500KW齿轮箱为例说明：1、运行前的检查：•1.1安装完后，所有多余材料、工具、安装用的工装设备都应拿走。•1.2连接螺栓是否拧紧。•1.3齿轮箱壳体的连接螺栓是否拧紧。•1.4手动盘车有无阻滞现象。•1.5油量是否达到油标刻度。从减速箱的通气帽处加入规定的清洁润滑油，注油时用不少于80目的滤网过滤，以防杂物进入箱内。滑油用量约260L。2、试运转•齿轮箱出厂前已进行过空载试验，建议用户在齿轮箱首次运行前10小时内注意下列事项：–检查齿轮、轴承供油是否正常，吸油是否畅通。–在运转过程中，每30分钟记录一次油温及轴承部位温度。–注意齿轮箱有无异常声响，检查箱体各接合面和各可能的泄漏点是否渗油，并及时采取措施，排除故障。–在总计运行10小时后，检查机座螺栓和各连接部位螺栓，必要时予以紧固，检查所有可能的泄漏点；检查油位，必要时补充润滑油。3、润滑系统使用要求•润滑油牌号：MobilSHCXMP320•润滑系统由供油装置、过滤系统、油/风冷却装置及中间连接管路组成。•控制原理图如图：3.1控制要求：–机组未启动时若油温⑩低于10℃时，电加热器②启动，电动泵③每隔30分钟启动工作5分钟。油温⑩高于15℃，电加热器②停止加热，电动泵③工作，机组启动。–机组启动温度必须在油温⑩高于10℃。–电动泵③出口压力10bar，安全阀设定压力16bar，出口油压过高（超过16bar）时，安全阀打开。–过滤器⑤最高工作压力16bar，安全阀设定压力14bar，当过滤器⑤进口与出口压力差值超过3.5bar时（在油温⑩超过40℃时才测定，信号采集至少90分钟），传感器发出信号且红灯亮（绿灯表示工作正常）。–风冷器⑥工作压力25bar，最大允许流量140L/min，风冷器⑥的风扇电机在油温＞60℃或高速轴轴承温度⑾＞75℃时打开，油温回落至50℃且高速轴轴承温度⑾＜70℃时，风冷器⑥的风扇电机停止运转。–压力控制器⑦的压力监测范围为0.5-6bar，不在此范围内时报警（油温70℃时压力要求≥0.5bar，油温低于10℃时压力要求≤6bar），若压力＜0.5bar时，报警持续超过5秒则停机。–液位下降至设定值时液位开关⑨发出报警信号。–油温⑩温度不允许超过70℃，否则齿轮箱停机。–高速轴轴承温度⑾不允许超过80℃，否则齿轮箱停机。3.2安装要求•供油装置应安装在齿轮箱附近，泵吸油管越短越好，其长度以不大于1米为宜。•为保证冷却效果，油/风冷却装置应安装在通风处。•中间连接管路按相关的液压、润滑安装规范进行安装，保证各连接处不泄漏。•供油装置投入运行前，必须确认齿轮箱内部清洁度达到ISO440617/15/12级，润滑油清洁度等级达到ISO440617/15/12级。3.3使用与维护3.3.1首次启动时应注意油泵电机转向是否正确。•过滤系统入口处设有测压点，可用测压表（用户自备）检测泵的出口压力。•过滤系统上装有滤油器污染发讯器，当滤油器进出油口压差达到3.5bar时，污染法讯器发出电讯号，同时污染发讯器上也有灯光显示，此时应及时更换滤芯。如果更换滤芯不及时，滤油器进口压力达到14bar时，滤油器旁通阀将会开启，此时滤油器将失去过滤作用，齿轮箱必须停止运转！3.3.2滤芯的更换过程：•更换滤芯时必须确认供油装置处于停机状态，滤油器必须卸压（压力表显示0bar状态）。可以通过拧松滤筒底部的排油螺塞卸压（工作时必须拧紧）。•更换滤芯步骤：•旋下滤筒，取出旧滤芯。•清洗滤筒，把新滤芯装上，旋上滤筒。•旋紧滤筒，再回松1/4圈。•更换滤芯后，重新启动工作，注意观察压力表工作压力。3.3.3旁路过滤•当齿轮箱长时间运行后，箱体内部润滑油会逐渐污染，底部沉淀颗粒状污染物。为提高润滑系统清洁度，延长过滤器使用寿命，可对齿轮箱进行旁路冲洗过滤。旁路过滤装置由用户自备，箱体上预留有安装接口。3.3.4低温启动•冬季低温状态时机组启动必须考虑油液的加热。当油温低于-10℃时可通过电加热器将油温升到10℃以上；当油温低于-10℃至-30℃时由于润滑油粘度太大，则应采用专用的低温旁路加热系统加热油液。低温旁路加热系统由用户自备，箱体上预留有安装接口,该接口与旁路过滤装置接口共用。4、齿轮箱维护4.1检查螺栓和螺母是否紧固•所有在表（一）中列出的螺栓联接必须检查是否紧固。在表（一）中包括这些螺栓的相关数据，例如扭矩和扳手尺寸。•并不是所有的螺栓都需要一一检查，要检查的数目在表中也有指出。•如果在齿轮箱中重复出现相同规格的螺栓，那么在表中只列出一次。•检查螺栓联接必须使用经过校正的扭力扳手和液压扳手。•如果被检查的螺栓数目少于实际数目，那么在这些检查过的螺栓上必须作标记，下次检查其它的螺栓。•如果在检查的螺栓中有一个因松动而达不到指定扭矩，那么所有的螺栓都必须检查。表（一）螺栓的拧紧力矩用扭力扳手的力矩N.m用传统冲击扳手的力矩N.m螺栓大小8.8级10.9级12.9级8.8级10.9级12.9级M82130.436.319.627.934.3M1042.160.874.539.655.968.6M1273.5104.9128.467.697119.6M14114.7166.6203.8107.8154.8189.1M16176.4254.8310.7166.6235.2289.1M18250.8356.7431.2233.2331.2401.8M20357.7509.6617.4333.2470.4568.4M22480.2676.2833441637774.2M24617872.21058568813.4980M279021284156884311961460M30121517352127113716171970M36212730183695197028133440M42339148315929314644885508M48514573218918478268118330M5266159408114666174877110682M568232117601430876441092713328M609996143081744493101327916219M64123481754221364114661631719894M681489621168258721381819698240104.2腐蚀状况和泄漏情况检查•检查所有部件的腐蚀状况。如果发现外表面有腐蚀，必须立刻按照覆盖层说明书对该部件进行处理。•检查所有部件，特别是齿轮箱、液压系统、刹车和油液泄漏。必须排除泄漏并找出到泄漏原因。必须更换损坏部件并清理被污染的区域。4.3运行的异常噪音检查•必须检查运行部件的异常噪音，要特别注意主轴轴承、刹车装置在运行中的噪音。4.4齿轮箱•在维护齿轮箱之前，必须使风机安全停机，并确保不会因为误操作而启动（确保刹车可靠和风轮锁紧）。4.4.1检查齿轮箱是否有异常噪音•运行时是否有异常的噪音。4.4.2检查油位•从油标检查齿轮箱的油位。4.4.3检查齿轮箱是否有泄漏•检查所有的凹槽、迷宫环和泄漏油液的流迹。4.4.4检查油液状况•在500小时后必须进行油液的抽样检查，不管运行状况如何抽样的时间不能迟于一年。抽样检查油液对于评定各种油液的特性（粘性、老化水融性等）是非常重要的。油液检查后的结果应该告诉你的油液供应商。•更换油液•如果使用矿物油必须每2年更换一次，如果使用人工合成油必须每3年更换一次；油液若从外观上就发现变性，应该立即更换。•油液更换时，必须使用和先前同一牌号的油液。不允许使用混合油或不同生产厂家的油液。要特别指出的是，人工合成油并不是不同矿物油或其它不同油液的简单混合。如果从矿物油换到合成油，或是从合成油换到矿物油，在注入新油液之前必须彻底清洗齿轮箱。•在更换油液时，为了清除箱底的杂质、铁屑和残留油液，齿轮箱必须用新油液进行