徐莘博¹　竇文堃¹　劉寶全¹　趙林川（chuān）²

（1.大連理工大學，遼寧大連　116024；2.東北大學，遼寧沈陽　110819）

　　摘　要：在我國風電機組一般安（ān）裝在高（gāo）山、荒原、海島（dǎo）等風口處，容易受（shòu）到沙塵、低溫、台風（fēng）、冰雪、鹽分等惡劣氣候環（huán）境的影響。由於風電機組經常受無規律的、變向的、變負荷的風力作用，會導致（zhì）葉片表麵損傷乃至脆斷。齒輪箱密封潤（rùn）滑係統（tǒng）功能退化、低溫停機較長時間後變速箱內油溫低、黏稠度大等都會降（jiàng）低液壓係統壽命。傳動鏈特別是齒輪箱（xiāng）係統中由（yóu）關鍵零部件失效引發（fā）故障而導致停機的時間占機組總停機時間的比例居高不（bú）下是影響係統性能和可靠性服役的關鍵性問題。

　　關鍵詞：風電齒（chǐ）輪箱；失效；可靠性分（fèn）析
　　1.風電齒輪箱主要失效形式
　　根據失效（xiào）部位進行分類，風電齒輪箱的故障主要有箱體故障（zhàng）、行星架故（gù）障、軸故障、齒輪（lún）故（gù）障、軸承故障及潤滑冷卻係統（tǒng）故障等。
　　突發性的陣風或者電網故障導致的突發（fā）載荷、發生故障時的緊急製動等，都會產生較大載荷，有時甚至超過額定載荷數倍，引起（qǐ）齒輪的過載折斷（duàn）。齒輪損傷主（zhǔ）要（yào）包括輪齒（chǐ）折斷（duàn）（斷齒）、齒麵疲勞（點蝕）、齒麵膠合、齒麵磨損等。從應用初期的微點蝕，到逐步（bù）擴展的大麵積點蝕、剝落或磨損。斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。由於齒麵在（zài）交變載荷下承受過大（dà）的接觸剪應力、過多的應力循環次數，因此齒麵容易發（fā）生（shēng）膠合、點蝕、齒麵剝落、表麵壓碎等損傷。另外軸承損壞（huài）、軸彎曲或較大硬物擠（jǐ）入齧合區等（děng）也會引起輪齒的衝（chōng）擊折（shé）斷。比較典型的是行星輪係，行星輪在運轉過程中總（zǒng）是（shì）雙向受力，受齒輪精度、強（qiáng）度的影響，容易出現疲勞斷齒現象。行星架損壞部位容易出現在行（háng）星孔等強度較弱的部位以（yǐ）及與行星輪或行星架軸承相近的部位。
　　1.1軸承
　　軸承是齒輪箱中另（lìng）一個重要故障源。由於（yú）安（ān）裝、潤滑、汙染和工作環（huán）境等因素，軸承出現了磨損超負載、過（guò）熱（rè）、腐蝕、導（dǎo）電、疲勞等現象（xiàng），使軸承（chéng）產生點蝕、裂紋、表麵剝落等問題而（ér）失（shī）效，從而使齒輪箱發生損壞在低速輸入端，低速重載情況比較典型，良好的潤滑條件難以形成（chéng），這是造成主（zhǔ）軸軸承損壞的重要原（yuán）因。高速端的（de）軸承，因為發電機（jī）軸和齒輪箱高速軸連接中通常存在角（jiǎo）度（dù）偏差和徑向偏移，它們隨輸出功率的變化而變化；這會（huì）產生一定頻率（lǜ）的軸向和徑向的擾動力，從而引起軸承溫升而（ér）使軸承損壞。當軸出現（xiàn）故障（zhàng）時應立即停止運轉齒輪箱，並對損壞的（de）軸和其他損壞件進行維修（xiū）或更換。
　　1.2箱體（tǐ）故障
　　箱（xiāng）體主要有箱體（tǐ）斷裂，止口變（biàn）形或斷裂，軸承座磨損（sǔn）等故障形式。箱體損壞部位大多出現在箱體。與齒圈連接處，損壞嚴重時伴隨著連接箱體與齒圈的螺栓發生剪斷。箱體損（sǔn）壞也容易出現在箱體上軸承座（zuò）處，當旋轉軸的軸向定位（wèi）失效時，旋轉軸可能對（duì）軸承座造成磨損。箱體出現損壞時，應立即停（tíng）止（zhǐ）運轉齒輪箱，並對箱體和（hé）其他損壞件進行更換或（huò）維（wéi）修。當箱（xiāng）體損壞麵積較（jiào）小或損壞程度較輕時，可以對箱體進行適當的修複，如修磨、校正或鑲件等。當箱（xiāng）體損壞較嚴重時，可以更換新箱體。
　　1.3潤滑冷卻係統故障
　　潤滑係統主要有油泵故障、加熱器故障、冷卻器故障、濾（lǜ）芯堵塞、管路堵塞或滲漏等故障形式齒輪箱的滲漏油（yóu）情況主要發生在箱體與齒圈（quān）結合麵、端蓋與箱（xiāng）體結合麵、低速軸和高速軸軸頸（jǐng）處、潤滑冷卻（què）係統（tǒng）管接頭處等。漏油問（wèn）題（tí）大多可（kě）歸結為原有結構缺陷（xiàn）在惡劣工（gōng）作環境影響（xiǎng）下的結果。齒（chǐ）輪箱的接口端和管接頭處由於（yú）存在密封結（jié）構的設計不合理或者密封質量問題（包括低溫和振動載荷情況下的（de）油封老化等），均有可（kě）能發生漏油，同時漏油處也容易造成外部灰塵進入箱體而汙染潤滑油。傳動鏈及齒（chǐ）輪箱中各類由（yóu）潤（rùn）滑（huá）不充（chōng）分導致的問題出現得也較多。潤滑（huá）不充分非常容易導（dǎo）致傳動（dòng）副的關鍵接觸區的幹磨，這是齒麵、主軸、軸承等磨損的根源之一。另外，長期運轉之後在接觸部（bù）位出現了（le）磨損，潤滑油質會包含雜質（zhì）汙染，引起過熱等故障（zhàng）。
　　1.4結構與裝配問題
　　裝配工藝及技術質量（盡管（guǎn）部分Z終體現為零件的加工質量及材料技術（shù）性能問題（tí））是導致零部件失效和係統故障的直接技術根源。主傳動鏈在結構性能（néng）上（shàng）具有明（míng）顯的剛柔耦合特點，在惡劣載（zǎi）荷條件下，裝配誤差（及結（jié）構變形）與長期服役過程中零件的磨損等具（jù）有（yǒu）雙向加劇的（de）作（zuò）用，Z終會導致關鍵傳（chuán）動零部件發生疲勞失效。大型風（fēng）電傳動齒輪（lún）箱區別（bié）於普通齒（chǐ）輪箱（xiāng）的（de）Z大特點就在於所承受載荷的無規律性風速多為3～25m/s當前主流的1.5～3.0MW齒輪箱的Z大（dà）功率幅值可能（néng）達到名（míng）義功率值的3～4倍（反轉可（kě）以達到（dào）2倍左右（yòu））。這對風電傳動係統中剛度（dù）較低的空心低速中間軸、行星輪係等零部件的影響相當顯著（zhe），因為主流3MW齒輪箱的長和寬通常在3m以上，總（zǒng）質（zhì）量在20t以上，輸入力矩在2MN·m左（zuǒ）右（yòu），在這個尺度上，材料加工問（wèn）題、輸送和組裝過程中的損壞、轉子的不對（duì）稱導致（zhì）產（chǎn）生彎曲現象，而接部件的軸偏心、軸承和支撐（chēng）部件的組裝有誤等各類技術原因導致的零部件製造、裝配誤差的值相對較大。風電齒輪箱中（zhōng）傳（chuán）動係的裝配偏心誤差、齒距誤差及平行度誤（wù）差等，在複雜載（zǎi）荷（特別是在超過設計負荷下工作時導致扭矩（jǔ）過大）下會進一步惡化傳動件的配合接觸狀（zhuàng）態，擴（kuò）大輪係結構的偏心誤（wù）差等，從而誘發振動問題（tí），進而導致應（yīng）力（lì）集中（zhōng）加劇及結構失（shī）效（xiào）等現象的出現。主傳動鏈在結構性（xìng）能上（shàng）具有明顯的剛柔耦合特點，在惡劣（liè）載（zǎi）荷條件下，裝配誤差（及結構變形）與（yǔ）長期服役（yì）過（guò）程中零件的磨（mó）損等具有雙（shuāng）向（xiàng）加劇的作用，Z終會導致關鍵傳動零部件發生（shēng）疲勞失效。
　　參考文獻：
　　[1]楊軍，秦大同，陳會濤，周誌剛.風力發（fā）電機傳動係統隨機風速下的載荷特性研究[J].中國機械工程，2011（15）.
　　[2]李國雲，秦大同.風力發電機齒輪箱（xiāng）加速（sù）疲勞試驗技術分析[J].重慶大學學報，2009（11）.

來源：《中國機械（xiè）》2015年第6期