隨著風電機組運行時間的延長，由于風電場環(huán)境惡劣，齒輪箱的故障越來越頻繁出現(xiàn)，諸如漏油，齒面點蝕、剝落、斷齒、異常磨損，軸承跑圈、滾道點蝕、剝落等現(xiàn)象。
導致出現(xiàn)上述缺陷因素很多，包括制造因素：齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷計算、軸承選型、材料選擇、制造加工、出廠前的試車及清潔等;運行因素：控制策略、監(jiān)控措施、維護方法;環(huán)境因素：氣候、變化無常的風況;控制因素：任何一個環(huán)節(jié)控制不到位，均會導致隱患，從微小缺陷擴展成大缺陷，從而引起機械部分不可逆的損壞。
因此，風電機組齒輪箱從出廠到淘汰報廢，我們要以全壽命周期管理理念，通過精心維護、科學管理來降低齒輪箱損壞率及下架率、縮短恢復時間，實現(xiàn)齒輪箱長壽命健康運行，提高機組利用率。
現(xiàn)狀調(diào)查
中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會的資料顯示，國內(nèi)裝機數(shù)量截至到2015年9月已超過8萬臺，雙饋型機組按照市場總?cè)萘抗浪慵s占5萬-6萬臺。這個數(shù)量也就是齒輪箱運行臺數(shù)，其中近4萬臺左右已在2012年前投入運行。
經(jīng)粗略估算，從2011年開始，齒輪箱年度下架率在逐年上升，如圖1所示。
圖1所示的比例計算是基于所有在運行的齒輪箱臺數(shù)。若只按運行超過3年的齒輪箱數(shù)量為基數(shù)計算的話，下架率數(shù)值超出圖1中數(shù)值1倍以上，而且之后有急劇增加的趨勢。
損壞原因概略分析
齒輪箱損壞下架的原因很多，通過調(diào)查及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，缺陷主要表現(xiàn)為：齒輪斷齒，齒面點蝕、磨損、剝落，內(nèi)齒圈斷裂，行星輪損壞卡死，軸承磨損、內(nèi)外圈跑圈等。
引起這些缺陷的直接原因主要是因為齒部接觸不良，出現(xiàn)偏載，局部應(yīng)力過大、引起微裂紋并逐步擴展，致使齒面燒傷、點蝕、剝落，導致齒的局部斷裂。而引起這些現(xiàn)象的間接原因與設(shè)計制造、材料及熱處理、運行維護、控制策略、環(huán)境等因素都可能有關(guān)。每一臺齒輪箱下架具體情況會不同，但一般來說，制造初始缺陷是潛在誘因，在使用過程中若載荷復雜、維護不當、不及時跟蹤處理會加速缺陷擴展。
需停機處理的故障主要集中在管路漏油、高速軸、電動泵、油溫油壓報警、濾芯、冷卻系統(tǒng)、軸承及異響。這些故障會直接造成齒輪、軸承潤滑不良，若不及時處理會引起齒輪和軸承出現(xiàn)缺陷并擴展，甚至會導致下架。通過幾年統(tǒng)計分析，表現(xiàn)出的主要故障分布情況如圖2所示。
全壽命周期內(nèi)運行維護及管理要求
從出廠起，到運行維護、監(jiān)控、故障處理、備件儲備，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等每個環(huán)節(jié)均需加強管理。做好前期控制，及時發(fā)現(xiàn)問題、盡早處理，預防為主、防治結(jié)合，嚴格執(zhí)行齒輪箱專項檢查，建立齒輪箱狀態(tài)跟蹤檔案，不斷完善故障處理方法。
一、出廠前的試驗、清潔
齒輪箱裝配完成，必須嚴格按照檢驗規(guī)范進行整箱檢驗，按試車規(guī)范進行加載試車。循環(huán)跑油后，尤其要保證出廠前的清潔度，達到齒輪箱清潔度要求，嚴格按采購方和制造方雙方技術(shù)協(xié)議要求進行相應(yīng)取樣檢測，嚴禁有大的金屬鐵屑、雜物殘留在齒輪箱內(nèi)，否則上天運行后，過濾系統(tǒng)在短時間內(nèi)不能完成全部過濾，甚至某些殘留物至始至終都不能通過過濾系統(tǒng)過濾。殘留鐵屑會在齒輪箱運行過程中對齒面、軸承滾道進行擠壓，導致壓痕、磨痕。
對新出廠齒輪箱加注新潤滑油時，新油的清潔度需達到ISO440617/15/12標準，否則需經(jīng)過過濾。由裝配單位對每批次新齒輪箱潤滑油的清潔度進行合適比例的抽檢，抽檢樣本送具有資質(zhì)的檢測機構(gòu)檢驗，并將所有檢測結(jié)果進行建檔。
二、存放和停機要求
(一)塔下存放
若齒輪箱出廠后需長時間放置，必需制定相關(guān)存放要求，并嚴格執(zhí)行。
(1)環(huán)境要求：做好防水、防潮、防塵措施以及內(nèi)外零件防腐蝕;
(2)定期進行內(nèi)部油管、齒輪、軸承銹蝕的檢查，空濾狀態(tài)及失效檢查;
(3)按規(guī)定做維護保養(yǎng)：齒輪箱存放一段時間后，按要求去除內(nèi)部零件的灰塵、水汽、銹蝕后，潤滑系統(tǒng)加油、通電，啟動油泵進行泵油循環(huán)，并以適當速度盤動高速軸;
(二)塔上停機
當風電機組不發(fā)電時，如機組吊裝完成后以及后期運行臨時停機，需對齒輪箱做好相關(guān)保護。
(1)如果傳動鏈必須被鎖死，連續(xù)鎖住時間不能太長，一般不超過一周。因為鎖緊銷與鎖緊盤存在間隙，葉輪的晃動會導致齒輪副嚙合齒的來回擺動，時間過久會在嚙合處產(chǎn)生微動磨損。
(2)空轉(zhuǎn)時，需限制轉(zhuǎn)速，一般控制在300rpm以內(nèi)，且保證齒輪箱內(nèi)部零件的足夠潤滑。
三、加強日常運行維護管理
做好日常巡檢、定期維護，是風電場目前降低齒輪箱故障率的主要手段。必須按照主機廠商作業(yè)指導書內(nèi)容(如《風電機組齒輪箱全壽命周期內(nèi)運行維護指導書》)，保質(zhì)保量地進行維護工作，確保齒輪箱良好潤滑。按檢查難度、周期性要求、齒輪箱結(jié)構(gòu)特點制定維護項目，包括：日常巡檢、每季度項目、半年檢查項目與年度檢查項目。
嚴禁屏蔽齒輪箱油溫、油壓、油位、濾芯堵塞等報警信號，遇到報警未查明原因和解決之前，禁止為保發(fā)電量而啟機運行。在設(shè)計上報警不停機的信號，也需盡快處理，不能延誤和遺忘。當風電機組報其它錯誤時，風電場運行人員首先嘗試的處理方法為遠程復位(夜間值班期間尤為突出)。這種做法并不合適。少量誤報故障確實可通過復位消除，但頻繁的自動復位動作只會增加對齒輪箱的沖擊，加速齒輪、軸承的疲勞損壞，縮短齒輪箱服役時間。因此，出現(xiàn)報警信號時，應(yīng)停機檢查，及時找到問題原因并徹底處理。
四、專業(yè)檢測及周期更換項目
(一)振動測試
通過專用的儀器工具，按照規(guī)定的監(jiān)測點進行間斷或連續(xù)的監(jiān)測，掌握設(shè)備異常的征兆和劣化程度，判斷故障的部位和原因并預測設(shè)備今后的技術(shù)狀態(tài)變化，提前發(fā)現(xiàn)故障癥狀，以降低經(jīng)濟損失。如果沒有安裝在線振動測試設(shè)備，則可采用離線設(shè)備采集數(shù)據(jù)進行分析。該項工作應(yīng)定期開展，測試頻次至少每年1次，建議和齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查項目一起進行。監(jiān)測點一般選在齒輪箱輸入軸、行星輪、中間軸、輸出軸。如果發(fā)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)部有異常情況，還可臨時安裝在線振動測試設(shè)備階段性的不間斷監(jiān)控，分析其演變趨勢，決定處理措施。
(二)內(nèi)窺鏡檢查
由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復雜、制造精密，只有借助內(nèi)窺鏡的使用才能更準確真實地掌握齒輪箱內(nèi)部零部件運行狀況，比如行星齒面、圓柱齒面是否有點蝕、損傷、斷裂等現(xiàn)象，軸承是否出現(xiàn)磨損、剝落等現(xiàn)象等。根據(jù)每次檢查結(jié)果研究齒輪、軸承缺陷發(fā)展趨勢及規(guī)律，提前做出預防或處理措施，避免缺陷嚴重擴展。該項工作建議檢查頻次至少每年1次。
(三)油品取樣檢測
潤滑油性能、清潔度對齒輪副及軸承副的油膜形成至關(guān)重要，尤其是清潔度。據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，油品清潔度降低一等級、軸承壽命將減少20%至30%。必須定期關(guān)注油品粘度、酸值、水分含量、元素含量、顆粒物等關(guān)鍵指標的變化。該項工作至少半年進行一次。根據(jù)檢測報告結(jié)果，分析制定相應(yīng)的處理措施。
(四)濾芯及空氣濾清器更換
每年或在壓差傳感器發(fā)出濾芯堵塞告警信號后10天內(nèi)更換濾芯。濾芯的更換需嚴格按照齒輪箱濾芯更換方案實施，保證正確的拆裝以及濾芯的清潔。檢查齒輪箱空氣過濾器情況，若干燥劑失效則及時更換。
(五)油品更換
對油質(zhì)進行理化分析后，若發(fā)現(xiàn)異常，根據(jù)技術(shù)部門制定的理化指標判定是否需進行過濾、更換。更換工作必須由專業(yè)隊伍嚴格按照換油方案進行實施。
(六)聯(lián)軸器對中
如果齒輪箱與發(fā)電機的對中情況不好，會影響到齒輪箱輸出端軸承以及發(fā)電機軸承，繼而引起齒面異常。該工作建議1年進行1次。
(七)齒輪箱易損件更換
齒輪箱易損件更換時間或失效標準如表2。
五、建立跟蹤檔案，全面掌握運行狀態(tài)
齒輪箱部件損壞，普遍是漸變的過程，我們必須連續(xù)跟蹤其運行狀態(tài)的變化，才能做到有的放矢、科學管理。建立檔案就能很好地實現(xiàn)這一點。
風電場必須嚴格按照主機廠商編制的齒輪箱維護指導書內(nèi)容進行日常巡檢、定檢維護;持續(xù)建立齒輪箱檔案;每個月定期調(diào)取運行數(shù)據(jù)進行存檔分析;現(xiàn)場做好各種異常處理;定期完成內(nèi)窺鏡檢查、振動測試、油品檢測;并及時、定期完成各種記錄并按要求建檔反饋,實時監(jiān)控和掌握齒輪箱運行狀態(tài)，根據(jù)異常情況制定處理措施。
(一)日常、定檢維護檔案
按照技術(shù)部門編制的齒輪箱運行維護指導書，現(xiàn)場實施隊伍將所進行的日常、定檢維護情況進行記錄。
(二)齒輪箱檔案
包括制造廠家、序號、出廠編號、制造日期、速比、運行時間等。
(三)齒輪箱軸承及齒輪參數(shù)檔案
根據(jù)齒輪箱型號、出廠編號明確分辨各級軸承的生產(chǎn)廠家和具體型號、各級齒輪參數(shù)。
(四)油品檔案
以各項關(guān)鍵理化指標的變化數(shù)據(jù)記錄成表格、曲線圖，觀察和研究油品變化規(guī)律以及傳動摩擦副的磨損狀況，并按企業(yè)制定的指標值：警戒線和行動線采取相應(yīng)措施。
油品監(jiān)測除了采取定期取樣方法外，國內(nèi)的油品在線監(jiān)測技術(shù)也趨于成熟，風電場可考慮在齒輪箱上安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控油品狀態(tài)。
(五)振動測試檔案
選取齒輪箱幾個關(guān)鍵部位的測試記錄如輸入端、行星輪處、中速軸處、輸出端，根據(jù)需要生成相應(yīng)的曲線圖，其變化趨勢一目了然。具體測試時，可限定相同轉(zhuǎn)速以對比研究。某風電場的一臺齒輪箱振動數(shù)據(jù)記錄案例見表3和圖3。
五、建立跟蹤檔案，全面掌握運行狀態(tài)
齒輪箱部件損壞，普遍是漸變的過程，我們必須連續(xù)跟蹤其運行狀態(tài)的變化，才能做到有的放矢、科學管理。建立檔案就能很好地實現(xiàn)這一點。
風電場必須嚴格按照主機廠商編制的齒輪箱維護指導書內(nèi)容進行日常巡檢、定檢維護;持續(xù)建立齒輪箱檔案;每個月定期調(diào)取運行數(shù)據(jù)進行存檔分析;現(xiàn)場做好各種異常處理;定期完成內(nèi)窺鏡檢查、振動測試、油品檢測;并及時、定期完成各種記錄并按要求建檔反饋,實時監(jiān)控和掌握齒輪箱運行狀態(tài)，根據(jù)異常情況制定處理措施。
(一)日常、定檢維護檔案
按照技術(shù)部門編制的齒輪箱運行維護指導書，現(xiàn)場實施隊伍將所進行的日常、定檢維護情況進行記錄。
(二)齒輪箱檔案
包括制造廠家、序號、出廠編號、制造日期、速比、運行時間等。
(三)齒輪箱軸承及齒輪參數(shù)檔案
根據(jù)齒輪箱型號、出廠編號明確分辨各級軸承的生產(chǎn)廠家和具體型號、各級齒輪參數(shù)。
(四)油品檔案
以各項關(guān)鍵理化指標的變化數(shù)據(jù)記錄成表格、曲線圖，觀察和研究油品變化規(guī)律以及傳動摩擦副的磨損狀況，并按企業(yè)制定的指標值：警戒線和行動線采取相應(yīng)措施。
油品監(jiān)測除了采取定期取樣方法外，國內(nèi)的油品在線監(jiān)測技術(shù)也趨于成熟，風電場可考慮在齒輪箱上安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控油品狀態(tài)。
(五)振動測試檔案
選取齒輪箱幾個關(guān)鍵部位的測試記錄如輸入端、行星輪處、中速軸處、輸出端，根據(jù)需要生成相應(yīng)的曲線圖，其變化趨勢一目了然。具體測試時，可限定相同轉(zhuǎn)速以對比研究。某風電場的一臺齒輪箱振動數(shù)據(jù)記錄案例見表3和圖3。
(六)內(nèi)部檢查檔案
要求采用內(nèi)窺鏡儀器，每次所拍攝照片存檔，并作比較。發(fā)現(xiàn)有異常的如果暫時不處理，需做記號跟蹤，并縮短檢查周期。
(七)異常處理檔案
在齒輪箱日常運行過程中，如果發(fā)現(xiàn)異常，則必須進行詳細檢查，提出處理措施，避免缺陷擴展。無論是現(xiàn)場處理的小故障及下架處理的大故障：包括換油、治漏、更換零部件、消除報警、整體更換等，都應(yīng)加強運行檢查，跟蹤問題是否得到根治，每臺機組每次處理過程與結(jié)果都必須記錄在案。
六、數(shù)據(jù)庫建立及遠程監(jiān)控預警分析系統(tǒng)
前期由人工建立齒輪箱各項數(shù)據(jù)檔案，并對格式進行優(yōu)化、固化，后期建立數(shù)據(jù)庫。借助現(xiàn)代化通訊手段、大數(shù)據(jù)處理方法，通過建立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將齒輪箱CMS(在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng))系統(tǒng)信號和齒輪箱溫度、油壓、油品清潔度等運行數(shù)據(jù)以及人工維修處理資料傳回監(jiān)控中心，逐步實現(xiàn)通過專業(yè)軟件對各項數(shù)據(jù)進行分析;實現(xiàn)遠程專家技術(shù)支持，即時監(jiān)控、分析，提供指導和建議，縮短問題處理時間;另可生成各種報表，建立一套連續(xù)、長期的齒輪箱綜合信息檔案，為風電場維護維修計劃、后續(xù)管理策略提供完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
七、其他
(一)控制策略優(yōu)化
研究主機控制系統(tǒng)對齒輪箱的影響，如振動問題，以及優(yōu)化控制策略減少傳動鏈振動。齒輪箱電動油泵、機械泵、冷卻系統(tǒng)、剎車裝置工作方式直接影響著齒輪副、軸承副工作狀態(tài)，輔助系統(tǒng)控制方式以及啟?？刂撇呗员仨毧茖W化、最優(yōu)化。油品溫度、軸承溫度、油位、油壓報警值設(shè)定要合理，運行中遇到報警嚴禁屏蔽信號，必須及時處理。
(二)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
如果齒輪箱在某一個位置損壞率較其它部位偏高，則有必要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、材料選擇方面分析原因，之后的維修工作以及新機組設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加零部件可靠性及安全系數(shù)。
(三)備件儲備
齒輪箱出現(xiàn)問題，備件的缺乏也是制約風電機組利用率的原因之一。適當準備外部輔助系統(tǒng)備件，如管路及接頭、密封件、濾芯，以及油泵、溫控閥等;內(nèi)部如高速軸、中速軸部套等;甚至儲備整機齒輪箱，可極大減少恢復處理時間。
八、分析及制定措施
對齒輪箱多發(fā)故障、典型缺陷、運行數(shù)據(jù)、處理信息及健康管理結(jié)果進行分析，研究預防手段，擬定處理措施、監(jiān)控運行措施、預期維修計劃及更換計劃，如研究抗磨自修復等新技術(shù)應(yīng)用、零部件項修、整機大修等。根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，齒輪箱在運行7至8年后會或多或少地出現(xiàn)缺陷，特別是高速軸系的軸承，其精度部分喪失后，會影響齒輪副的嚙合精度，進而導致齒面破壞。合理、有計劃地安排大修，可減小風電機組非計劃停機率。
結(jié)語
齒輪箱管理是風電場的管理十分重要的一部分，要做到科學、合理、有連續(xù)性。某些缺陷的發(fā)展是不可逆的，必須在前期做好預防。做好齒輪箱的健康持續(xù)管理，盡量延長其使用壽命，出現(xiàn)故障要采取合理方法、減少全壽命周期維護成本。文中所述的管理方法及技術(shù)措施可以作為風電場齒輪箱健康管理的參考。
