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风力发电齿轮箱机械设计存在的问题及对策研究金庆鑫

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：金庆鑫

[导读] 摘要：风电齿轮箱是风力发电机组中的重要部件，在长期运行过程中不可避免会发生各类故障，其检修方法必然成为学者研究的焦点。

        采埃孚（天津）风电有限公司天津 300400
        摘要：风电齿轮箱是风力发电机组中的重要部件，在长期运行过程中不可避免会发生各类故障，其检修方法必然成为学者研究的焦点。因此风力齿轮箱设计与制造技术一直都是困扰我国风电行业发展的瓶颈之一。本文主要结合当前大型风电齿轮箱的发展现状及发展趋势，探讨了现阶段大型风电齿轮箱出现的问题及研究现状，最后结合实际情况阐述了大型风电齿轮箱载荷分析及处理措施。
        关键词：风力发电；齿轮箱；设计
        引言
        风能是一种可再生能源。近年来风力发电技术在全世界的市场份额、规模和技术设计方面都经历了快速发展，风力发电将成为未来主要的电力来源之一。风力发电是一种绿色、环保的发电方式，在风力的作用下，齿轮箱内部的齿轮转动，将风能转变为动能，再将动能转变为电能。文章主要分析了齿轮箱设计制造技术的现状，并对未来发展趋势进行了探讨，以期为相关技术人员的研究提供一定参考作用。
        1风力发电齿轮箱机械设计存在的问题
        故障通常是由设计缺陷、制造错误，组装错误和维护过程中的损坏引起的，并且主要集中在齿轮箱和轴承中。其中，线性偏差（例如不同的轴和未对准）会导致齿轮磨损，例如：轮齿表面磨损或齿滑，齿轮齿断裂，卡死，轮齿表面疲劳，轴承损坏。齿轮故障的类型不同，每种类型的比例也不同。常见齿轮故障的发生率是：划伤10％，磨损10％，塑性变形31％，断齿41％，其他8％。
        1.1轴承的故障
        轴承是齿轮箱运行过程中负载的支撑，也是齿轮箱故障率高的组件。该部件主要分为随着轴旋转而与轴一起安装的外圈、内圈、滚动体和的保持架四个部分。在正常情况下，轴承容易出现轴承疲劳，轴承磨损，轴承变形和轴承断裂的情况。
        1.2齿面磨损故障
        风电机组的齿轮箱主要用于非自愿工作面上。主要表现为4种类型：①正常磨损，齿轮啮合时的齿面接触多为渐开线接触。除非达到默认使用寿命，否则它不会影响齿轮的正常运行；②在重负荷下损坏，在恶劣环境下长时间工作时，金属会因重负荷而受到中等程度的磨损，影响齿轮箱正常运行；③齿面失效，使齿轮振动、噪声；④腐蚀和异物损坏，一些细小颗粒会混入齿轮的啮合孔中，从而造成齿轮损坏。
        1.3齿轮的故障
        从所有位置来看，齿轮故障主要有两种类型：一种是在特定齿中发生的部分故障，另一种是在不同齿中具有大小故障的分布式故障。通常，分散的缺陷更具失效性，例如齿轮断裂，齿轮胶合，齿轮磨损和齿轮磨损。
        1.4润滑油超温故障
        如果风电机组长时间运行在缺油状态或在满负荷运行，则润滑油会过热，从而导致一些问题。主要原因是：（1）润滑管堵塞，冷却风扇故障导致散热不良，造成润滑油过热；（2）冷却系统部件温控阀达到破坏极限，效率低下，导致润滑油温度过高；（3）冷却系统的布置不合理，这导致压力集中，继而导致润滑油温度过高故障。
        2风力发电齿轮箱机械设计问题的解决对策
        2.1合理有效的故障诊断手段
        根据《风力发电机的安全要求》，风力发电机应配备独立的诊断保护和检测系统，以在风力发电机处于过载、重载和异常工况时执行诊断功能。当前市场上有许多类型用于风电机组齿轮箱的故障诊断系统。其中，最成熟的技术是在线齿轮箱振动检测系统，它可以随时监测齿轮箱的运行状态，并存储运行数据，运行状态的桨叶。（1）齿面微腐控制。

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如果齿轮箱长时间处于润滑油不足状态，则齿面将与空气发生反应，从而在齿面上形成轻微的腐蚀。为了有效地控制齿表面的微腐蚀，首先检查齿轮箱润滑油的状况，油温是否过高以及润滑油中是否混有杂质等。以防止由于润滑油不足而引起的齿轮表面微腐蚀。因此，当齿轮箱不工作时，必须根据润滑条件进行强制润滑，并且必须检查润滑油的质量及其状态，防止润滑油变质。同时，请确保正常使用齿轮箱呼吸器，例如硅胶已变色。如果呼吸器的除湿功能失效，则必须及时更换。（2）断齿的控制。在变速箱设计之初，必须考虑所有因素，例如过载和超速。在安装过程中，必须避免齿轮箱的变形，以防止一些硬颗粒进入齿轮箱。（3）胶合的控制。润滑不良会导致薄膜边界膜的破坏，从而导致金属从齿轮的齿面掉落。因此，有必要改善齿轮的润滑条件，避免胶合，并调整部件的参数以改善齿轮啮合。（4）轴承故障控制。润滑系统的轴承选择，设计，安装和调试需要状态控制。通常，可以在齿轮箱中安装温度报警装置，在线监控油温和润滑油质量，以确保同一齿轮箱的不同轴承之间的温差不会大，最好<15°。（5）断轴控制。密切注意齿轮箱驱动轴的张力，针对不同的轴直径进行圆弧过渡连接，并保持齿和齿表面的光滑度传动轴。在驱动轴的设计阶段，必须考虑力、加工精度的问题，以确保相关部件的刚性并减少轴的变形。（6）齿轮油变质控制。根据齿轮油的采样周期，需要对齿轮箱定期进行油样采集，分析机组齿轮油磨损铁元素和磨损颗粒含铁量（PQ指数）是否超标。以此判断齿轮油的理化性能和磨损元素，保障设备润滑和磨损状态正常。
        2.2定期维修策略
        定期维修，是指在充分了解风电齿轮箱故障规律的前提下，根据规定的维修时间间隔，进行计划内的齿轮箱维修工作，而不去考虑齿轮箱当时所处的运行状态。在制定定期维修策略过程中，合理确定维修时间间隔比较困难。维修时间间隔过长或过短，会造成“欠维修”或“过维修”，最终导致总体成本偏高。定期维修策略的研究重点是确定维修时间间隔。
        2.3状态维修策略
        状态维修，是指对风电齿轮箱采取一些状态监测技术，如振动监测、声音监测、温度监测等，对检测得到的信号进行分析、诊断，推断齿轮箱当前所处的运行状态，根据齿轮箱运行状态的发展情况，制定科学合理的预防性维修计划。状态维修策略是20世纪80年代在国外开始发展起来的，是一种以设备状态为主的主动式维修管理。状态维修的关键是科学确定风电齿轮箱的维修阈值，同时在风电齿轮箱运行过程中，进行实时状态监测，并预测未来状态，通过对齿轮箱当前状态的识别，判断当前状态变量是否超过设定的维修阈值，若超过则进行维修。风电齿轮箱的状态维修策略是目前研究的热门课题。
        2.4基于寿命分布和实时监测数据的风电齿轮箱
        预防性维修策略研究。开展不同类型风电齿轮箱及其部件失效规律的理论和实验研究，准确掌握风电齿轮箱及其部件的寿命分布类型，为科学优化风电齿轮箱的定期维修周期提供依据。进一步研究风电齿轮箱的维修阈值，同时基于实时监测数据，开展风电齿轮箱可靠度计算，实时评估风电齿轮箱运行过程中的可靠性，为优化风电齿轮箱的状态维修策略提供基础数据。加快推进各种预防性维修策略在风电齿轮箱维修的应用实践，降低全寿命周期的维修费用。
        结束语
        齿轮箱作为风力发电设备的关键部件，关系到整个发电机组的效率和安全性。有必要对风力发电机齿轮箱的故障进行分类研究，阐述风力发电齿轮箱机械设计存在的问题，给出了风力发电机齿轮箱的典型故障，并提出了一些故障诊断技术。同时，采取措施来预防和控制风电机组齿轮箱的故障，为安全可靠的运行提供了一定的理论依据。
        参考文献：
        ［1］曹奇.大型风电齿轮箱关键设计技术［J］.中国新技术新产品，2017，34（10）：45-46.
        ［2］王曰辉，柴希，翟晶.风电齿轮箱齿轮智能生产线设计研究［J］.机械工程与自动化，2018（03）.
        ［3］霍仕环，曹奇.风电齿轮箱制造及质量控制技术要点的研究［J］.机电工程技术，2017，42（01）：84-87.