01
引言
风电机组增速箱是风电机组的关键部件，位于叶轮和发电机之间，将叶轮受风力作用产生的扭矩传递给发电机，同时将叶轮较低的输入转速(兆瓦级机组一般低于20r/min)变速为满足发电机发电所需的转速。因此，风电机组增速箱是-种受随机载荷的，在强阵风的冲击载荷条件下工作的低速、重载、增速齿轮传动装置。由于风力发电机组齿轮箱长期处于恶劣条件下，随着运行时间变长会出现粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀等问题，轻则导致润滑油失效，重则导致轴、轴承、轮齿的断裂，进而风电机组停机。在变速变载这样的情况下，还会出现轮齿折断、齿面点蚀等的情况[1]。
02
增速齿轮箱损坏类型
一般增速齿轮箱主要故障为齿轮、轴承、轴、箱体、紧固件、油封等。齿轮故障约为50%，主要损坏形式有:断齿、点蚀、胶合、磨损、疲劳裂纹等;轴承故障约为20%,主要损坏形式有：烧伤、滚珠脱落、保持架变形、磨损等；轴故障约为10%，主要损坏形式有：断裂、磨损等；箱体故障约为10%，主要损坏形式有：变形、裂开、磨损等，其余为紧固件及油封等，主要为断裂、磨损等[2]。
03
齿轮失效
齿轮失效一般发生在齿面，很少发生在其它部位。按照齿轮在工作中发生的原因，可分析出齿轮常见失效形式有断齿、齿面胶合、齿面点蚀、齿面磨损、塑性变形等等。
3.1 轮齿折断
断齿常由根部细微裂纹在周期性应力作用下逐步扩展二次，齿轮在工作中发生严重的冲击、偏载、局部应力过大、材料严重缺陷等问题会引起断齿现象（图1）。
图1
3.2 齿面胶合
齿面胶合是在齿轮箱高速重载的情况下，啮合区温度升高引起润滑油失效,使得金属表面直接接触并互相黏连，而后在运动过程中，较软的齿面被撕下而形成的沟纹，多发生在齿轮接触表面（图2）。
图2
3.3 齿面微点蚀
微点蚀是指齿轮工作过程中齿面出现的肉眼可见的灰斑现象，微观上表现为微小疲劳裂纹并伴随材料的移失。是一种发生在微接触区的接触疲劳损伤。齿轮微点蚀常见于渗碳淬火的硬齿面齿轮中（图3）。
图3
3.4 齿面点蚀
齿面点蚀是微点蚀的扩展状态，齿轮啮合过程中，在脉动力和重载荷的作用下齿面深处产生循环变化的剪应力，在超过轮齿材料的疲劳极限时，在齿面的接触面上会产生疲劳裂纹，进而导致齿面细小金属片的剥落，形成小坑，这种现象称之为点蚀，点蚀会使齿面减少承载面积，引起冲击和噪音，也是齿面剥落现象的前兆（图4）。
图4
3.5 齿面剥落
齿面剥落是齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力。轮齿表面在这种切应力反复作用下，引起局部金属剥落而造成损坏，齿面剥落也是齿面发生点蚀之后面积扩展的严重体现，造成齿面出现大块脱落（图5）。
图5
3.6 齿轮裂纹
齿轮出现的裂纹，按其形成特点，可分为两大类:工艺裂纹和使用裂纹。工艺裂纹是生产齿轮的工艺不当而造成的材料缺陷所致，并在一定载荷条件下失稳扩展造成齿轮失效，如铸造裂纹，锻轧裂纹，焊接裂纹、热处理裂纹(邓淬火裂纹)、磨削裂纹等;而使用裂纹是在零件使用过程和环境中产生的，并进而扩展造成齿轮失效，如疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹等。风电增速箱中的行星轮会出现裂纹失效（图6）。
图6
3.7 严重擦伤
在轮齿上沿轮齿滑动方向上有密集、明显的线性沟槽，主要是由于轮齿啮合异常不良造成的齿轮刮伤损害，比较常见的如行星轮裂纹变形造成内齿圈擦伤、齿轮干涉、根切等（图7）。
图片
图7
3.8 齿面磨损
齿轮齿面有正常磨损、磨料磨损和过度磨损（胶合）等几种。正常磨损是齿轮在啮合传动中由齿面相互摩擦造成的磨损。这种磨损发生在整个齿面上，使齿面呈现均匀的光洁度；当润滑油中的机械杂质进入摩擦面时，将变成磨料磨损使磨损加剧。齿面磨损后，将使齿轮的厚度变薄，啮合间隙增大，工作中出现响声，严重时会使齿轮损坏。过度磨损一般是磨料磨损和胶合的严重形式，往往在齿面上沿齿高方向形成线性沟槽，并伴随严重的齿面磨损。过度磨损往往与齿面缺少良好的润滑有关，并伴有胶合现象的材料转移（图8）。
图8：正常磨损和磨料磨损
3.9 塑性变形
齿面塑性变形主要出现在低速重载或过载的场合。当齿面的工作应力超过材料的屈服极限时，齿轮在异常的外来载荷冲击作用下以及较大坚硬异物进入啮合面挤压，使齿面产生塑性流动，从而引起主动轮齿面节线处产生凹槽，从动轮出凸起的永久性变形（图9）。
图9
3.10 微动腐蚀（齿面黑线）
微动腐蚀是由于风机长时间停机工况下，而造成的齿间接触性腐蚀，在齿面上形成线状的红棕色腐蚀痕迹，往往伴随齿轮箱有规律的异响且频率较快。风机叶片巨大且为柔性结构，增速箱相对高速轴累积空程达25°，当制动器处于制动工况，风轮处于打开状态，风轮在风里作用下通过齿轮箱油可能反复冲击高速轴齿轮形成的微动腐蚀，故一般出现在高速齿轮副较多。建议风机如长时间停机应把风轮锁和制动器松开，定期启动润滑系统对齿面润滑可有效防止出现微动腐蚀带（图10）。
图10
04
风电增速箱的损坏预防
增速箱的设计使用寿命虽为20年，但保证此寿命的前提肯定需要定期对增速箱做好保养和维护措施，所以及时诊断故障和对设备进行维护至关重要，可以从以下几个方面预防齿轮箱缺陷发生和检测增速箱的运行状态及劣化趋势。
4.1 现场日常齿轮箱的维护
日常齿轮箱的维护主要是对整体外观、附件、电气接线、润滑油状态、运行工况等进行检查和处理。定期维护则需要辅助以器械、仪表及委托检验的方式开展维护，重点要做好齿轮箱的外观和内部检查、SCADA数据故障统计分析、轴系对中校核、润滑油取样化验。对发现有异常的增速箱，建议通过可以辅助内窥镜检查和振动分析仪的测量，强化齿轮箱内部啮合部件运行状况的检查和测量。
4.2 安装离线式滤油装置
风电机组增速箱润滑油的主要污染包括颗粒物，水和氧化产物等污染物，风机齿轮箱运行时的清洁度等级要求达到ISO17/15/12标准，污染度超过标准，旧需要更换新油或者使用更高精度的滤油装置满足需求。一般的风机设备制造商都会应用传统的在线润滑过滤系统控制油中的颗粒污染，但滤除精度一般在10-50μm，对已生成的氧化物暂无有效清除，水分污染主要依靠带除湿功能的空气呼吸器防范和控制，未过滤掉的细小颗粒物进入齿面和轴承间隙中会造成齿轮和轴承的磨损以及加速失效。可安装精度更好、功能齐全的离线式精滤系统作为补充，可有效去除微小的颗粒物，去除已生成的氧化物，并有效控制水污染，保证润滑油的清洁度维持在正常水平，延迟油品和机型设备的寿命。
4.3 安装在线振动监测系统（CMS）
风机所使用的齿轮箱内部结构复杂，其维护成本和故障率相对较高。在这样的情况下，在线振动监测系统够有效、有针对性的对增速箱进行状态监测。监测、及时识别增速箱内各个齿轮和轴承的运行状态，发现故障的早期征兆，及时安排检修。监测产品除需具备基本的齿轮和轴承的故障特征频率的采集和的包络分析等基本手段之外，还能针对增速箱内部齿轮啮合产生的金属粒子所引起的冲击和冲击能量等非常有价值的数据有捕捉能力，并能够通过齿轮箱内部的金属颗粒所引起的冲击和冲击能量直接反应出齿轮箱的磨损状况和当前的工作状态。
4.4 定期内窥镜检查增速箱
由于增速箱内部结构紧凑，人工通过视孔盖不能观察到增速箱的所有齿轮和轴承部位，对于无法观察到的部位可通过内窥镜进行检查，建议运行5年内的风电机组至少保证一年一次和运行5年以上机组保证一年两次的全风场增速箱内窥镜巡检工作。内窥镜具有携带方便、清晰度高的特点,利用探头探测齿轮箱内部的轴承及齿轮，停机打开窥视孔，将探头伸入箱体内，逐一检查部件,可以及时发现故障部位。
05
结束语
近十年来随着风电机组装机数量的不断增加，机组投运时间的累积，双馈式风电机组的增速箱是重要的机械传动部件，因其工况复杂，交互载荷变换频繁，增速箱损坏的数量也不断出现。通过增速箱常规检测维护和新技术的不断相结合，认真进行设备保养，预防和判断设备故障发生的趋势和劣化，可以有效降低齿轮箱故障的发生率，保障机组的安全可靠运行。
参考文献
[1]王德海，王晓莉，浅谈风力发电机组齿轮箱常见故障分析及检测方法[J].农业与技术，2015.
[2]王红新，风力发电机组增速齿轮箱故障浅析[J].机械技术，2014.
作者：重庆海装风电工程技术有限公司 陈浩、龚波涛、冀满忠、王弟方、龚洪、霍正星
