（国华爱依斯（黄骅）风电有限公司 河北黄骅 061100）
摘要：风能发电有着广阔的前景，如何确保风机齿轮箱的性能，是目前厂商所关注的问题。由于风力发电机组工况的特殊性和承受载荷的复杂性，作为风电机组核心部件之一的齿轮箱是很容易出现过温故障的。齿轮箱结构复杂，过温原因难以确定，其安装位置也为维护和维修带来了不少困难。本文对风电齿轮箱的发热原理和常见的发热原因进行了分析，并总结了工程上可以采用的一些维护运行和检测潜在故障的方法，有助于保持风电机组的散热效率。
关键词：风电齿轮箱；油温过高；原因；措施
1导言
风电齿轮箱是风能发电机的关键部分，随着风电的发展，风电齿轮箱也获得了良好的发展前景。国内的企业还存在技术能力不足的问题，需要了解齿轮箱制造的关键技术，提升技术水平，满足市场需求。
2齿轮箱热特性
2.1齿轮箱发热原理
风电齿轮箱的主要生热形式有以下两种：（1）由摩擦副在运行过程中产生的摩擦功率损失，主要包括齿轮啮合引起的功率损失和支承轴承摩擦生热引起的功率损失。（2）传动机构搅拌润滑油引起的功率损失。
2.2齿轮箱热特性
齿轮箱整体温度分布比较均匀，齿轮啮合处和高速轴前轴承内圈表面温度相对较高，支撑臂两端温度相对较低；箱体底部往往积聚有润滑油，因此箱体底部温度比上部温度稍高。低速级箱体轴承座处生热量少，又有润滑油强制冷却，高速级箱体轴承生热量大，润滑油无法带走全部的热量，有一部分热量只能通过箱体表面散失，因此高速级箱体轴承座处温度较高，高速级箱体温度比低速级箱体高。高速级的前轴承座处是整个箱体温度最高的位置，这是由于轴承座在箱体内部，而且此处轴承生热量大，不能和外部进行有效的对流传热，而后轴承在箱体端面，散热能力较好，因而温度比较低。在传动过程中，齿轮啮合摩擦产生大量的热量，齿轮啮合表面的散热条件又比较差，导致啮合处温度最高，温度在行星轮齿啮合表面成中心对称式分布。热量沿着轮齿中心向四周扩散，在啮合齿面上沿着齿顶和齿根两个方向传递，所以温度沿着齿高方向呈梯度分布。齿轮顶面散热条件稍差一些，温度会比啮合面温度低，比齿轮端面高。齿轮端面由于输入热量少，与周围环境接触得也比较充分，散热条件比较好，所以温度比较低。
3冷却系统原理及问题分析
3.1齿轮箱润滑油冷却系统工作原理
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图1某1.5MW齿轮箱润滑冷却系统工作原理
风电齿轮箱润滑油冷却系统在风电机组中承担着2个主要任务：1）对承受高负荷轴承及齿轮间的摩擦进行可靠的润滑，确保齿轮箱的使用寿命及可靠运行；2）把齿轮箱运转产生的热量，利用润滑油冷却系统传输到机舱以外，确保齿轮箱在一定温度范围内正常运行。风电齿轮箱润滑油冷却系统工作原理如图1所示，润油在润滑油泵的驱动下，首先进入管路①点和管路②点。当管路①点与管路⑤点的压差大于1.0MPa时（通常发生在冬季寒冷气候机组长时间停机再启动机组时），管路②点处的溢流阀开启，部分润滑油通过溢流阀直接流回齿轮箱油池，而其余的润滑油则由管路①点经过滤器进入45℃温控阀阀体。当管路①点与管路⑤点的压差小于1.0MPa时，所有润滑油均由过滤器进入45℃温控阀阀体。
45℃温控阀阀体有2个通道，1个通道是常开结构，润滑油由过滤器直通到④点管道；另1个通道为温控调节阀结构，润滑油由过滤器依次通至温控调节阀③点管道，温控调节阀结构如图2所示。当润滑油温度低于45℃时，阀芯膨胀材料处于收缩状态，阀芯阀体在温控阀弹簧作用下，温控阀处于完全开启状态；当润滑油温度高于45℃时，阀芯膨胀材料体积增大，阀芯本体克服弹簧作用力向图2所示的左向滑动，温控阀逐渐关闭。随着温度的升高，温控阀最终处于完全关闭状态，此时高温润滑油都经过热交换器冷却后进入⑤点管道。
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图2温控调节阀结构简图
风电齿轮箱润滑油冷却系统还配置了监测和控制系统，图2中的温度传感器实时监测齿轮箱油池内润滑油的油温，当油温低于50℃时，由PLC控制冷却风扇停止工作；当温度高于55℃时，控制冷却风扇进行高速运行。当油池油温高于75℃时，为了避免风电齿轮箱超负荷磨损，PLC将控制发电机降低功率运行，如果润滑油温度持续高于75℃，发电功率最终将限制在不高于400kW的工作状态。
3.2温控阀的失效问题
温控阀是一种靠特殊材料热胀冷缩的物理特性，调整阀芯本体与温控阀阀体的相对位置，从而实现开启与关闭的机械结构，阀芯膨胀材料泄漏是该元件的主要失效形式。温控阀一旦失效，由于③点到⑤点位置润滑油的压力损失远大于④点到⑤点的，高温润滑油则不经热交换器而直接进入润滑油分配块，从而引起润滑油温度高问题的发生。
3.3发电机水冷问题
在辽宁龙源某风电场进行油冷技术改造过程中，发现发电机冷却系统水压不足，也是导致润滑油温升高的一个原因。发电机冷却系统水压不足会直接影响到发电机的冷却，造成发电机机身过热，引起机舱温度升高，降低润滑油热交换器的冷却功率，引起齿轮箱润滑油温度偏高。
4风电齿轮箱油温高原因的改善措施
4.1散热量分析与计算
4.1.1箱体表面散热量计算
齿轮箱的产热量经箱体表面散失到外部环境中的主要传热方式有热传导和对流换热两种，具体的散热过程可以分为三个部分，第一个是润滑油与箱体内壁之间的对流换热，第二个是箱体内壁和箱体外壁之间的热传导，第三个是齿轮箱外部空气与箱体外壁之间的对流换热。
4.1.2润滑、冷却系统散热量计算
齿轮箱箱体表面的散热量非常有限，可以用润滑油循环系统来吸收多余的热量。如果不考虑润滑油在循环管道中散失的热量，假设冷却后的润滑油与外部环境等温，则冷却系统的散热量等于润滑油的吸热量。
4.2日常维护检测方法
（1）定期检测温控阀的工作状况，及时更换失效的温控阀。（2）加强对散热片的巡视，对含有大量灰尘和污垢的散热片及时用高压水枪和专用清洗剂进行清理，将漏油的散热片及时更换。还可以在散热片底部加装防尘网，起到防尘、防絮的作用。（3）定期对齿轮油进行化验分析，检测其是否满足齿轮箱的要求，若油品不合格需及时更换。（4）定期检查润滑、冷却系统的元器件和接线。（5）定期检查滤芯的污染程度。检查滤芯是否有堵塞现象，并用吸铁棒检查滤芯处的油液是否含有铁屑或其他杂质，如果有堵塞现象或杂质较多，应立即更换滤芯。（6）定期检查油路循环是否畅通。用手触摸油管判断油温是否变化，启动齿轮箱润滑油泵，使用内窥镜检查喷油嘴，若发现堵塞情况，应及时疏通。（7）定期检查齿轮箱振动，及时发现早期故障。（8）对于过温较严重的情况，可以增加独立散热器。（9）调整机舱内的布局，主要调整进风口与排风口的布局（数量、位置和尺寸等），增加机舱的进风量和进风口风速。例如在适当位置增加进风口，加装排气扇等。
4.3改变散热片翅片结构和增加热交换器的换热面积
通过查阅大量技术资料、考察各种汽车、轿车等户外用热交换器散热片的结构形式，发现户外用高效热交换器多数采用三角型和波纹型翅片结构。本文采用波纹型翅片结构做了热交换器的试验研究，试验表明，波纹型结构翅片的抗堵塞能力远远大于交错型翅片结构，尽管长时间运行后散热片也出现不同程度的堵塞，由于波纹型结构翅片仅是表层堵塞，操作者只需在机舱巡检过程中，用一个简单的毛刷就可完成堵塞物的清除，而交错型翅片堵塞杂物易进入散热体内部，给杂物的清理造成极大困难，翅片结构的改变能够从根本上解决散热片的堵塞问题，从而大幅提高热交换器的换热功率。
结束语
综上所述，本文结合了发热原理、散热计算公式，对齿轮箱过温的原因进行了分析，并综合了工程上已经采用和尚在研究探索阶段的维护运行、早期故障排除检测的方法，为进一步研究和解决齿轮箱过温问题提供了更加有利的方案。
参考文献：
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[2]蔡贵立.某2MW风力发电机组齿轮箱轴承超温故障研究[D].北京：华北电力大学，2015.