风力发电齿轮箱机械设计存在的问题及应对策略探究

风力发电齿轮箱机械设计存在的问题及应对策略探究

周锡鹏

黑龙江龙源新能源发展有限公司 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：随着社会的发展，我国的各行各业的发展也有了很大的改善。我国具有人口众多的特点，用电量需求量大，为了践行落实我国的环保战略，我国逐渐将风力发电等作为重要的发电途径之一。在风力发电过程中齿轮箱发挥着关键性作用，因此应重视对齿轮箱的优化设计，以降低其故障发生率，这是保证风力发电质量的关键。下文主要从风力发电齿轮箱机械设计存在的问题进行分析，并提出相应的应对策略。

关键词：风力发电；齿轮箱机械设计；存在的问题；应对策略探究

引言

风机机舱内部的主要部件有齿轮箱、联轴器、发电机、主轴等，其中齿轮箱是风机的主要发热部件之一。经验表明，齿轮箱的工作性能和结构元件的发热强度有密切联系。风电齿轮箱的过热不仅对系统的润滑和冷却有影响，还会对传动效果和动力性能产生影响。风电齿轮箱高速传动级的热损失尤其严重，导致齿轮箱在夏季高温大风的天气条件下经常会因为油温过高导致限制输出功率或停机等状况，而一些安装在低温地区的风力发电机组也难以适应冬季大风的环境，这些情况严重影响了风电机组的使用寿命和发电量。

1重要性

风能是一种可再生的绿色能源且储量丰富，是目前最具商业化发展前景的能源。我国10m高度层风能资源总储量约32.26亿kW。据统计，2018年，我国风电新增并网容量2033万kW，累计并网1.84亿kW。随着我国风电产业技术创新能力不断提升和速度不断加快，目前已具备兆瓦级风电整机自主研发能力，并形成了完整的风电装备制造产业链。但是随着制造企业新产品研发和迭代的加速，风电机组的技术和质量存在的风险不断上升。随着风电机组运行时间的增长，风机技术和质量问题也逐渐随着风机故障的增多而暴露。据统计，齿轮箱失效故障约占风机总故障的40%，而齿轮箱作为双馈型风电机组核心部件，其损坏所带来的设备检修、吊装运输及电量损失是非常巨大的。所以，对风电机组齿轮箱的失效进行分析研究和提前预防其失效有着重要意义。鉴于以上情况，文章结合新疆某风电场的实际运行情况，对其机组齿轮箱出现的失效进行详细分析和研究。

2风力发电齿轮箱机械设计中存在的问题

2.1轴承易损坏

轴承是齿轮箱的重要部件，对于风力发电设备的正常运转具有重要影响作用。根据研究发现，齿轮箱构件内部的轴承损坏率较高，而且其一旦损坏，修复极为复杂且难度高，这也是影响风力发电设备正常运转的因素之一，当前在风力发电系统中应用较多的为增速齿轮箱，这种齿轮箱轴承较容易发生故障，如果轴承无法正常运转，则会导致风力发电系统无法正常进行发电。因此，在齿轮箱的设计过程中，应将轴承作为重点去考虑，为保证发电设备稳定工作，在设计齿轮箱时应依据科学原理结合实际情况，合理设计轴承的结构，同时选择合适的材料，延长使用期限。

2.2载荷数据处理不完善

载荷是衡量风力发电齿轮箱的工作效率的重要指标，就风力发电设备而言，其荷载受发电设备安装地区环境的影响。由于风力发电齿轮箱一般安装在风力较大的位置，且地区环境复杂多样，因此容易造成齿轮箱超负荷;另外，我国当前收集和处理荷载数据的技术还不成熟，对于部分载荷多凭借个人主观判断进行估测，这在一定程度上缺乏科学性，因而容易导致齿轮箱所承受的荷载超限，影响其正常使用。

2.3设计计算方法不够成熟

齿轮箱机械的设计过程中，科学的计算方法较为关键。在我国的风力发电装置中，关于齿轮承载能力的计算还缺乏完善的算法体系，因而不能根据实际需要精确的对齿轮的承载力进行调整，影响风力发电齿轮箱的正常使用;就当前来看，美国在风力发电机齿轮箱的设计上以AGMA2101-C95为计算标准，而我国的计算标准为GB3480，相较而言，发达国家的设计计算方法更加成熟，更加规范，而我国设计计算方法还不够成熟，因而使得齿轮箱设计质量和性能大打折扣。

3风力发电齿轮箱机械设计优化

3.1齿轮箱过温原因优化

（1）温控阀发生故障或者与溢流阀配合不当。（2）齿轮箱散热片堵塞。风机长期处于恶劣环境中，大风和扬沙很可能使散热片被尘土、柳絮、油污等堵塞，以致热交换能力大幅降低，导致齿轮箱油温过高。（3）齿轮油劣化导致油品降低，油中含有大量杂质，使散热效果受到影响，齿轮箱温度过高。劣化的齿轮油中往往含有大量的金属氧化物、金属颗粒、水等，导致润滑作用大打折扣。（4）机械部件磨损。齿轮箱内部齿轮多，若齿轮在长期的啮合运行中出现较大的磨损，可能导致油温过高。（5）温度传感器故障。传感器安装不正确或长时间运行可能导致电阻与温度的线性变化与理论计算值不符，造成齿轮箱油温过高故障。（6）滤芯污染严重。滤芯表面附着较多杂质甚至堵塞会导致齿轮箱齿轮或轴承磨合异常，也有可能造成油温升高。（7）油路循环不畅。喷射齿轮油的管道堵塞或油嘴堵塞可能造成齿轮箱局部温度较高。（8）设计时的参考环境与实际使用环境有差异。比如环境温度、机舱内部温度的差异造成的影响。（9）机舱内进风口及排风口的设计有待改进或机舱内各部件分布不够合理。不同的气流组织布局形式会使机舱内气流流动的路径及流场参数产生很大的差异，对机舱的散热性能影响巨大。

3.2齿轮箱失效预防处理

大部分的齿轮箱失效和缺陷都是可以采取合理有效的手段预防和避免，根据现场实际运维经验以及风机生产制造企业的技术反馈，可以从以下几点对齿轮箱失效进行预防处理并监测齿轮箱劣化趋势和运行状态。（1）强化设备质量监督机制。建立覆盖设计、生产、运行全过程的质量监督管理机制，完善风电机组运行质量监测评价体系，定期开展风电机组运行情况综合评价。完善风电机组关键零部件、施工装备、工程技术和风电场运行、维护、安全等标准，强化落实标准执行。对已出现失效情况的同批次产品制定技改方案和技改计划并按期完成技改工作。（2）建立良好的维护检修标准。为保证齿轮箱正常运行，必须对齿轮箱进行随机监控和定期检查。定期对齿轮箱工作温度、清洁度、噪声、振动、轴承及齿轮、油液及整体运行情况等进行检查；定期清理润滑油滤芯和更换润滑油。重点要做好齿轮箱的螺栓力矩检查、轴系对中、润滑油取样化验，并根据化验的数据参数建立油品分析台账。齿轮箱内部检查可以辅助内窥镜等器械，强化齿轮箱内部啮合部件运行工况的检查。（3）使用振动在线监测技术。风电机组应具有一套独立于控制系统之外的监测保护系统，目前市场上技术比较成熟的齿轮箱故障诊断技术就是风电机组振动在线监测系统，其能够对风机传动系统中的主轴、齿轮箱、发电机振动数据和转速数据实时监测，对风机劣化趋势、异常工况进行预警及诊断，实现对风机早期故障征兆的及时捕捉、准确预判、诊断和预知性维护。

结语

综上所述，风力发电在未来将成为趋势，其具有无污染、环保、可持续利用的优势，能够缓解资源紧张的问题，重视风力发电的应用，需要重视风力发电齿轮箱机械设计，在当代社会的生产中，电能已经成为不可或缺的资源，运用风力发电也成为时代趋势，在风力发电过程中齿轮箱的设计较为重要，设计人员应重视对齿轮箱的研发设计，不断提升设备的使用效果和性能，以使其能够适应恶劣的环境，提升发电效率，保障发电的稳定性和持续性。同时，还需要重视对齿轮箱设计过程的优化，对使用环境进行评估，选择最佳材料，从而制造出高标准，适应环境能力强的风力发电齿轮箱，通过提升齿轮箱使寿命和稳定性，进一步提升我国风力发电水平。

参考文献

[1]中国风电产业发展现状及展望[J].玻璃钢,2012(4):32-34.

[2]李丽娟.基于可持续发展的内蒙古风电产业发展战略研究[D].西安:长安大学,2011.