双馈式风电机组齿轮箱故障浅析

双馈式风电机组齿轮箱故障浅析

帕拉沙提·别达力 ,潘强

（华能新疆能源开发有限公司清洁能源分公司，新疆 乌鲁木齐市 830000）

摘要：风电机组齿轮箱是机组传动链中的重要组成部分。若齿轮箱出现故障，相比其他部件故障有维修成本高昂、维修难度大等特点，因此避免和减少齿轮箱故障可有效提高风电机组安全可靠性和降低生产成本。本文通过总结现场运行维护经验对齿轮箱常见故障进行总结分析，为齿轮箱检修维护提供指导意见。

关键词：齿轮箱；故障；运维建议

引言

我国风电行业步入快车道已有10余年，大部分风电机组随着运行年限的增长，故障频次和类型随之增加。本文以齿轮箱机械故障、高温故障、油压异常故障为分析对象，总结、提炼可行维护方案。为提高风机齿轮箱稳定运行可靠性提供参考。

1、齿轮箱机械故障

双馈式风电机组齿轮箱一般为两级行星一级平行轴齿轮结构为主，通常采用强制润滑和飞溅润滑两种方式。当齿轮箱润滑油清洁度不高，并长期在高负荷、高温环境下运行时，齿轮啮合部位在接触应力、润滑油等的反复作用下，在齿轮齿面或者啮合面次表面产生微小的裂纹[[1]]，若不能及时得到维护微小的裂纹会在交变应力的改变下引起微观疲劳，若长期运行过程中得不到有效维护，频繁启停风机等齿轮啮合部位的裂痕会发展成齿面裂痕、齿面磨损、齿面灼伤、以及齿轮变形、齿面断裂等故障。

定期开展齿轮箱内窥镜检查，检查齿面是否有点蚀、划痕等故障，能及时掌握齿轮箱内部结构潜在隐患，对发现和解决齿轮箱内部结构机械故障起到预防和指导意义。定期检查齿轮箱油滤芯，当滤芯含有大量杂质或者滤芯堵塞都会导致齿轮箱油过滤不精，不能起到净化作用，因此齿轮箱油滤芯应定期检查，使用吸铁棒检查滤芯低部有无金属杂屑等。

由于主轴与齿轮箱低速输入轴使用胀紧套连接方式，当叶轮与主轴发生后窜时会使力矩传递到齿轮箱行星轮导致行星轮轴与齿圈、端盖间发生摩擦，产生高温、异响的同时还会产生金属磨屑污染齿轮油。若发现异常现象应及时对齿轮油进行油化验，若黏度、颗粒污染度、酸值、水分等指标超标应更换齿轮油及其滤芯，防止内部金属摩擦部件劣化加重。定期用便携式测振仪进行振动监测或分析在线振动监测数据，对数据异常的风机进行进一步检查。

2、齿轮箱温度高故障

齿轮箱温度高通常表现为齿轮箱油温高、齿轮箱驱动端轴承以及非驱动端轴承温度高，温度高故障也是齿轮箱最常见的故障之一。

齿轮箱油温高原是多方面原因造成的，齿轮箱油在系统内起到润滑和降温作用，当齿轮箱在高负荷运行时，齿轮啮合部位相互摩擦会产生高温，从而使齿轮箱油温高升高，若不能得到有效散热效果油温会一直升高直到风机报警、限制功率运行或者停机。齿轮箱驱动端或非驱动端温度高故障，当温度达到一定值时，风电机组将采取停机或降负荷运行，待温度降低至正常值时再恢复正常运行，使风电机组经济性大打折扣。

当出现齿轮箱油温高时可能的原因有以下几点：1、齿轮箱温控阀失效。常见温控阀为机械结构，当齿轮油温低于45℃时，齿轮油无需进行散热，温控阀内去往散热片的油路处于关闭状态；当齿轮油温高于45℃时，温控阀阀芯内膨胀材料体积增大逐渐，压缩阀体内弹簧使去往散热片的油路逐渐打开，去往齿轮箱内部的油路逐渐关闭，总流量保持恒定；温度达到50℃是完全打开，使高温齿轮油经散热片进行热交换回到齿轮箱内部。温控阀使用寿命为30000次，随运行年限的增加易发生内部元器件老化、阀芯内膨胀材料泄漏等问题，从而导致温控阀失效。2、齿轮箱散热片翅片表面吸附棉絮、尘土等，导致散热片堵塞，使流经散热片表面进行热交换的空气进气量减少，散热效果降低，清洗被堵塞的散热片，冷却器散热功率可恢复到设计值的70%[[2]]。3、散热风扇功率达不到实际散热效果，1.5MW风电机组齿轮箱效率要求在97%以上，因此风机在额定功率运行时产生的热量Q=1500kW×3%=45kW,因此齿轮箱散热风扇的功率应大于45kW，若齿轮箱运行年限的增长，传动效率降低至97%以下，则散热风扇的功率无法达到实际散热需求。4、根据传热基本理论

式中：C为润滑油的比热容；M-润滑油的质量流量； 为齿轮箱散热器进出口温度差）

机舱内部空气流通不畅、齿轮箱散热器波纹管破损、机舱内温度过高都会降低散热器进出口温度差降低。齿轮油粘稠度高、乳化等会降低齿轮油流量，从而降低散热效果。5、齿轮箱温度传感器故障，PT100接线松动或者长时间运行阻值发生变化等原因也会报出温度高的假故障。

齿轮箱驱动端和非驱动端轴承是通过冷却的齿轮油经过喷油管进行强制润滑和冷却的，因此齿轮油温度高也会导致驱动端和非驱动端轴承温度升高。除此之外油路堵塞、齿轮油粘稠度高、齿轮油乳化等会使喷油管堵塞，喷油量降低，从而达不到有效冷却效果。

为降低齿轮箱温度高故障可从下上几方面进行检查和改进，检查温控阀是否失效；散热器是否有堵塞现象，定期清理散热片灰尘和棉絮，散热片的翅片可更换为表面积更大、不易吸附灰尘和棉絮的波纹型翅片，增大热交换面积；定期检查更换齿轮油滤芯；增大散热器电机功率或者增加一组散热器；检查散热器通风波纹管有无破损，机舱内有无其他异常发热设备；检查齿轮箱温度传感器是否故障，是否存在接线松动等情况。

3、齿轮箱油压异常故障

双馈式风电机组齿轮箱油压是检测油路分配器里的齿轮箱油压力，当齿轮箱油泵电机低速运行时齿轮箱油压应低于0.2MPa,油泵电机高速运行时齿轮箱油压应在0.2-0.4MPa之间，当齿轮箱油压达到0.4MPa时，压力开关动作，报出齿轮箱油压力低故障齿轮箱油压力低意味着进入齿轮箱润滑管的油量不足，引起润滑不良，进而引起高温。

齿轮箱油压力出现异常可能的原因有以下几点：1、齿轮箱各管路接口、阀门开关、盖板处密封失效、滤芯盖密封不良发生的渗漏油，导致齿轮油不足；2、齿轮箱加热器故障，在环境温度低且机组长时间处于停机状态时，齿轮油温度较低，粘稠度较大；3、齿轮箱油泵电机出现过载、过流、绕组烧损等故障无法打压；4、齿轮油滤芯更定期更换，齿轮箱内含有油泥、杂质，堵塞齿轮箱管路等。5、齿轮箱压力表渗漏油或压力表故障失效等。

4、齿轮箱的运行维护建议

基于上述对齿轮箱故障的分析及进一步结合现场实际维护经验，对齿轮箱温度高故障处理再提出以下建议。若出现异响、金属磨屑增多可检查主轴是否发生后窜位移，查看内部结构损伤程度，对齿轮箱油进行油化验分析，采取措施避免齿轮结构进一步劣化。若无此情况可通过进一步检查齿轮箱散热系统中冷却风扇功率是否满足需求，机舱内温度是否过高，空气流通布局是否合理，散热片翅片有无附着物、翅片选型是否合理，温控阀是否失效以及传感器是否正常运行，内部油路是否顺畅等。齿轮箱油压异常可检查各管路、分配器及滤芯端盖是否发生渗漏油情况，齿轮箱油是否过于黏稠，齿轮箱加热器是否工作正常，压力表是否正常等方面加强检查。

参考文献

[[1]] 潘骏,李旭平,贺青川等.基于扩展有限元的齿轮微点蚀模拟分析[J].机械工程师.2019,51,(1)：27-30

[[2]] 樊新东,杨秀媛，金鑫城.风电场有功功率控制综述[J].发电技术,2018,39(3):268-276

作者简介

帕拉沙提·别达力(1991-)，男，从事风电维护检修工作，E-mail：357591329@qq.com

潘强(1989-)，男，从事风电维护管理工作，E-mail：359100063@qq.com