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

刘鑫

黑龙江龙源新能源发展有限公司 驿马山风电场 黑龙江佳木斯 154000

摘要：近年来，在社会发展的过程中，风力发电机的工作环境比较恶劣，而且风速不稳定，齿轮箱经常在变载荷的情况下运行，容易发生过温故障，严重影响发电量，导致齿轮、轴承等机械磨损加快或疲劳点蚀，降低机组的整体使用寿命。因此，研究风力发电机齿轮箱产热及散热情况，选择合理的散热处理方案，对避免齿轮箱过温故障，延长齿轮箱使用寿命及提高风场经济性和可靠性有十分重要的意义。

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

风能是目前最具商业化发展前景的能源，而在风力发电机组中齿轮箱是其核心部件，故对风电机组齿轮箱的失效进行分析研究和提前预防有着重要意义。

1齿轮箱失效原因分析及结论

通过对风机监控数据及各项风机记录资料的调查确认，齿轮箱失效前运行正常、各项参数基本稳定、设备定期检修维护工作正常开展，无明显异常情况。通过对齿轮箱进行现场拆解或返厂开箱检查测试，进一步分析查找失效原因。（1）高速轴磨损失效分析。2015年8月至12月连续出现6台高速轴磨损，失效情况基本一致：齿轮箱高速轴轴承温度瞬间超限，高速轴输出端轴颈、端盖、甩油环等组件磨损烧毁严重，高速轴后轴承外圈与挡油环静接触面有明显周向磨损但轴承内圈和滚珠正常，高速轴齿面、高速轴其余轴承以及锁紧螺母正常。失效原因分析：从拆解情况可看出高速轴端盖、甩油环、挡油环和轴承均有不同程度的损伤，甩油环与高速轴摩擦导致高速轴轴颈表面严重拉伤、输出端盖磨损变形表面烧糊，挡油环与轴承静接触面周向磨损严重。但轴承外圈和挡油环之间有内螺纹圆柱销周向定位，为静接触，不应出现磨损。在检查输出端盖定位销尺寸时发现小孔深度比图纸设计要深约3mm，若定位销在运行中退出，则定位销起不到周向定位的作用。失效结论：输出端盖定位销孔尺寸加工有误，在高速运行过程中定位销退出未能起到定位作用，导致轴承外圈与挡油环摩擦并产生大量热量并引起高速轴窜轴等问题。（2）齿轮箱箱体主螺栓断裂失效分析。2015年及2016年共出现2台箱体螺栓断裂失效情况：齿轮箱油位低，观察孔盖结合面漏油，后箱体与内齿圈多颗双头连接螺柱断裂。失效原因分析：将断裂的螺栓进行检测，从宏观观察发现各螺栓断裂形式及断口形貌一致，断口均存在明显的光亮区（疲劳区）和粗糙区（瞬断区），断口边缘螺纹底部有微裂纹而非断口处的螺纹底部无微裂纹等；从化学成分分析各螺栓材料符合42CrMo的技术要求；从金相组织检测结果看夹杂物检测未脱碳深度均满足相关标准要求；从硬度测试检测看，螺栓满足10.9级螺栓标准要求硬度。失效结论：齿轮箱工作时，运行过程中风况不稳定、无规律，风速变化快，齿轮箱不可避免地发生振动。伴随齿轮箱的运转，部分螺栓出现轻微松动现象，螺栓在反复外力作用下，产生微裂纹，裂纹逐渐扩展，直至螺栓最终断裂失效。

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优化风力发电齿轮箱机械设计的有效策略

3.1重视合理的对齿轮箱润滑

风力发电机齿轮箱运转过程中，轴承和齿轮会一定摩擦，长此以往会导致发导致内部组件磨损、降低转速影响发电效果，因此应重视合理的使用润滑剂，使齿轮箱内部各组件协调运转，形成一个良好的工作环境，润滑剂的选择要能够起到防锈以及防腐蚀的效果，从而延长齿轮箱的使用寿命，避免频繁更换和修复。我国方面风力发电齿轮箱多为闭式齿轮，在使用润滑油时要求具有一定的油膜厚度，还应有一定的边界膜强度，以防止齿轮出现胶合或者点蚀。另外，由于风力发电机组一般在温差较大的环境下运行，因此要注意保持较高的粘度指数，增强齿轮承载力，以及抗冲击能力。

3.2建立专业的机械设计团队，重视技术研发

风力发电在我国电能供应方面具有深远意义，要提升风力发电的整体性能，应重视齿轮箱设计，基于此，应重视组建专业的设计团队，这是提升齿轮箱质量和性能的关键。首先，企业应重视对专业设计人才的选拔，面向社会公开招聘，选拔对于齿轮箱设计有深入研究的专业人员，同时可以加强与国外先进企业的合作，引进先进的齿轮箱设计技术，从而提升我国的齿轮箱生产和制造水平;其次，重视定期做好维护工作，尽量降低外界因素对齿轮箱的腐蚀及损坏，通过维护可以延长齿轮箱的使用年限，同时可以及时发现齿轮箱运行过程中的问题，以便及时提出解决方案，避免出现故障，影响正常发电。

3.3重视设计材料的选择

由于发电设备的使用环境较为特殊，因此在设计过程中要综合考虑多种因素，对材料的性能进行严格的分析，由于齿轮箱修复难度较大，因此在设计过程中，应注意考虑材料的耐磨性、耐腐蚀性以及强度，确保齿轮箱在一定时间内能够正常运转，避免由于内部件损坏无法正常运转。风力发电齿轮箱构造主要有塔架、主驱动链、底盘、偏航系统、制动器、控制箱发动机、安全离合器、齿轮箱、机舱、风轮等组成，在设计过程中应保证各部件材料的使用年限不少于20年，可以对其使用寿命进行预测，同时注重研发新的性能良好的材料，以提升齿轮箱的使用性能。

3.4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。

结语

齿轮箱作为双馈型风电机组核心部件，因其运行工况复杂，所以对产品质量有严苛的要求。鉴于这一情况，相关方应建立覆盖设计、生产、运行全过程的质量监督机制，建立良好的维护检修标准并重点做好齿轮箱螺栓力矩、油品化验、轴系对中等工作，同时采用振动在线监测系统等新技术手段，有效的预判和诊断风机故障并开展预知性维护。

参考文献

[1]张小婵.风电齿轮箱箱体热结构特性分析研究[D]大连:大连理工大学,2009.

[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.

[3]张上.风力发电机组齿轮箱油温高原因及散热改造方案分析[J].科技与创新,2015,2(18):36-37.