郭菲菲
采埃孚（天津）风电有限公司 天津北辰区 300402
摘要：近年来，我国风力发电大规模发展，随着风电机组的大批量装机投用以及投运时间的不断累积，各类故障也随之出现，主齿轮箱故障就是其中一类重要故障。本文根据某大型风电场投运近十年来的故障实例，对风电机组齿轮箱部件失效故障进行分析，并提出一些故障处理的思路和建议。
关键词：风电机组；齿轮箱；故障；失效
1齿轮箱的重要作用
风电机组的发电原理就是将风的动能由风轮转化为机械能，再将机械能由发电机转化为电能。齿轮箱的作用是将风轮的低转速增至发电机所需的高转速。齿轮箱是传动链中最重要的部件，其设计及制造非常关键，要求体积小，重量轻，性能优良。虽然各大齿轮箱制造企业对齿轮箱进行了深入研究和性能优化设计，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然故障较多。齿轮箱一旦发生故障，维修将会非常困难，严重影响到了风电场的经济效益。
2齿轮箱故障分析
2.1齿轮失效
2.1.1轮齿折断
齿轮的轮齿有很多种不同的折断形式，其主要表现在齿根疲劳导致弯曲折断，因为齿根在轮齿受力时产生的弯曲应力最大，并且齿根与轮盘的连接部分及截面突变等造成的应力比较集中，所以，当力矩重复作用在轮齿上时，疲劳裂纹就很容易在齿根处形成并向周围延伸，最终导致轮齿受力过度而折断。过载折断都是由于轮齿上受到的力大于其本身可以承受的最大应力而导致的，产生的原因有很多，常见的有啮合区域有硬物卡入或齿轮由于过度磨损后齿面变薄时受到冲击导致，如图１所示：
.png)
为了提高轮齿的抗折断能力，可采取下列原则：①用增大齿根过渡圆角半径及消除加工痕的方法来减小齿根应力集中；②增大轴及支承的刚性，使齿轮接触线上受载较为均匀；③采用合适的热处理方法使芯材料具有足够的韧性；④采用喷凡、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。
2.1.2齿面点蚀
风电机组齿轮箱齿轮传动形式为闭式传动，润滑环境良好，而齿面点蚀闭环传动中最常见的轮齿失效形式，点蚀是由于齿面在不断变化的受力作用下，由于应力作用产生的损坏现象，呈现出麻点状。最初的表现形式为针尖般的麻点，如果没有对现有的情况进行改善，针尖状的麻点就会不断扩大，连接成片，最后导致齿面受损。润滑油可以减少啮合时齿轮之间的摩擦，延缓点蚀现象的发生，齿轮的寿命也能得到延长。高速齿轮和低速齿轮由于需求不同应采用不同粘度的润滑油，低速齿轮宜使用粘度高些的润滑油，由于转动速度慢粘性好的油不易受到挤涨，不会造成齿面的损坏。而高速齿轮宜使用粘度低些的润滑油，且其能够起到散热的效果，同时不易产生由于粘度高导致的挤涨裂纹现象。
2.1.3齿面胶合
由于轮齿在啮合时，齿面间的压力大，瞬时温度高，会使齿面间的润滑油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，即齿面胶合，为了提高轮齿的抗胶合能力，可采取下列原则：①采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了时的滑动系数；②减小模数和齿高以降低滑动速度；③采用极压润滑油；④选用抗胶合性能好的齿轮副材料；⑤材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差；⑥提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。
2.1.4塑性变形
塑性变形有两种形式：滚压塑变和锤击塑变，是属于齿轮的永久变形形式。其产生的主要原因为，轮齿在处于屈服情况下导致的齿轮整体塑性流动形成。其中，滚动塑变是在齿轮啮合过程中相互滑动或滑压造成的齿面材料流动所致。锤击塑变，顾名思义是由于齿面间受到锤击或高强度的冲击所形成的塑性形变，其区别于滚压塑变的主要特点是轮齿的表面有沟面，其基本平行于齿轮间的接触面。避免或减缓塑性变形的主要方法就是使用粘度较高的润滑油，另一种办法就是提高齿面的硬度。
2.2轴承失效
齿轮箱轴承在齿轮箱中是非常重要的部件，一旦轴承失效，齿轮箱其他部件便不能正常运转，不及时处理轴承故障，整个齿轮箱在带病运行的情况下很可能彻底损坏，无法修复。轴承在运转过程中，内、外圈与滚动体表面之间经受交变载荷反复作用，由于安装、润滑、维护等方面的原因，而产生磨损、点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮副和箱体产生损坏。轴承失效后，在运转时通常会出现强烈的振动、噪声和发热现象。因而，重视轴承的设计选型，充分保证润滑条件，严格按照规范进行安装调试，加强对轴承运转的监控是非常重要的。通常在齿轮箱上设置了轴承温控报警点，对轴承异常高温现象进行监控，同一箱体上不同轴承之间的温差一般也不超过１５摄氏度，要随时随地检查润滑油的变化，发现异常立即停机处理。
2.3轴承故障
由于安装不当、润滑不良、润滑介质污染和工作环境恶劣等因素，轴承会出现磨损、过载、过热、腐蚀、疲劳等情况，进而产生点蚀、裂纹、表面剥落等造成失效，最终导致齿轮箱损坏。如在低速输入端，载荷大且润滑不利，主轴轴承易发生损坏；而在高速端，由于发电机轴和齿轮箱高速轴连接中易出现角度偏差和径向偏移，因轴向和径向扰动力产生的变载荷长时间作用在高速端轴承上，造成轴承损坏。轴承的常见失效方式有磨损、保持架变形、滚珠脱落、电点蚀、腐蚀、压痕等。
轴承失效故障处理一般只需更换故障轴承，但由于往往伴随轴、齿轮等其他部件故障，需要深入检查，避免故障处理遗漏。对轴承故障问题，也应当关注齿轮箱润滑油的情况，上文已提及，这里不再赘述。
2.4轴故障
齿轮箱轴系在很多情况下会出现轴不平衡、长期偏载、瞬时冲击、异常振动等非正常工况，导致轴故障。轴故障主要表现为磨损、弯曲变形和断裂。其中，轴弯曲故障一般为长时间偏载造成，常出现在输入端；轴断裂极少出现，高速轴在故障急停中受到冲击过大可能发生断裂；轴磨损是最为常见的故障，在高速轴上较为频发，主要是由于轴与安装在轴上的轴承发生相对运动，俗称轴承“走内圈”。
（1）一般处理方法
对于轴磨损故障，如早期发现，轴磨损程度较轻，一般单侧磨损量不大于0.3mm，可采用涂镀工艺修复（工艺成熟，修复效果也较为可靠）。但当磨损到一定程度，因成本上升且镀层易脱落，涂镀工艺不再适用，只能采用其他方式进行修复，如采用焊补后机加工处理。传统的焊补由于热输入量大，轴易发生变形，整轴加工精度遭到破坏，即使合理控制工艺，尽可能避免发生变形，焊接热应力集中的问题仍然难以避免，运行中在轴的焊接热影响区易再次出现故障，甚至诱发断轴。从齿轮箱整体的安全可靠性考虑，齿轮箱厂家一般建议更换新轴组件，但费用也较高。
（2）激光熔覆处理技术
激光熔覆技术是激光在机械加工领域的主要应用之一。它是利用大功率、高能量激光束聚焦能量极高的特点，瞬间将被加工件表面金属微熔，同时使零件表面预置或同步自动送置的合金粉剂完全熔化。激光束扫描后合金快速凝固，获得与零件基体完全冶金结合的致密熔覆层。与其他传统加工技术相比，激光熔覆技术应用在修复齿轮箱高速轴磨损时，有以下几个优点：①熔覆过程中热输入量低，高速轴不会变形；②激光熔覆时产生的不良组织很少，不需要做热处理来消除；③激光熔覆的材料与基材的融合性能好，结合强度高。
３结束语
齿轮箱是风力发电机组的主要组成部分，必须对其进行定期维护，保持其良好的性能。
综上所述，齿轮箱的失效必须引起我们的高度重视，并且要正确分析故障产生的原因，采取必要的措施，争取今后把齿轮箱的故障率降到最低，减少经济损失，保证风力发电机组稳定安全的运行。
［参考文献］
［１］濮良贵，纪名刚．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．
［２］姚兴佳，宋俊．风力发电机组原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．
［３］张彼德．齿轮箱振动分析及故障诊断［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００５．
［４］刘忠明，段守敏，王长路．风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望［Ｊ］．机械传动，２００６，（３）：１～６．