隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，由于風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn)蝕、剝落、斷齒、異常磨損，軸承跑圈、滾道點(diǎn)蝕、剝落等現(xiàn)象。

導(dǎo)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(jì)、載荷計(jì)算、軸承選型、材料選擇、制造加工、出廠前的試車及清潔等;運(yùn)行因素：控制策略、監(jiān)控措施、維護(hù)方法;環(huán)境因素：氣候、變化無常的風(fēng)況;控制因素：任何一個(gè)環(huán)節(jié)控制不到位，均會(huì)導(dǎo)致隱患，從微小缺陷擴(kuò)展成大缺陷，從而引起機(jī)械部分不可逆的損壞。因此，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱從出廠到淘汰報(bào)廢，我們要以全壽命周期管理理念，通過精心維護(hù)、科學(xué)管理來降低齒輪箱損壞率及下架率、縮短恢復(fù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)齒輪箱長(zhǎng)壽命健康運(yùn)行，提高機(jī)組利用率。

現(xiàn)狀調(diào)查

中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)的資料顯示，國(guó)內(nèi)裝機(jī)數(shù)量截至到2015年9月已超過8萬臺(tái)，雙饋型機(jī)組按照市場(chǎng)總?cè)萘抗浪慵s占5萬-6萬臺(tái)。這個(gè)數(shù)量也就是齒輪箱運(yùn)行臺(tái)數(shù)，其中近4萬臺(tái)左右已在2012年前投入運(yùn)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(jì)算是基于所有在運(yùn)行的齒輪箱臺(tái)數(shù)。若只按運(yùn)行超過3年的齒輪箱數(shù)量為基數(shù)計(jì)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(shì)。

圖1 近4年齒輪箱年度下架率

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(jì)，缺陷主要表現(xiàn)為：齒輪斷齒，齒面點(diǎn)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?yàn)辇X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(kuò)展，致使齒面燒傷、點(diǎn)蝕、剝落，導(dǎo)致齒的局部斷裂。而引起這些現(xiàn)象的間接原因與設(shè)計(jì)制造、材料及熱處理、運(yùn)行維護(hù)、控制策略、環(huán)境等因素都可能有關(guān)。每一臺(tái)齒輪箱下架具體情況會(huì)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(fù)雜、維護(hù)不當(dāng)、不及時(shí)跟蹤處理會(huì)加速缺陷擴(kuò)展。

需停機(jī)處理的故障主要集中在管路漏油、高速軸、電動(dòng)泵、油溫油壓報(bào)警、濾芯、冷卻系統(tǒng)、軸承及異響。這些故障會(huì)直接造成齒輪、軸承潤(rùn)滑不良，若不及時(shí)處理會(huì)引起齒輪和軸承出現(xiàn)缺陷并擴(kuò)展，甚至?xí)?dǎo)致下架。通過幾年統(tǒng)計(jì)分析，表現(xiàn)出的主要故障分布情況如圖2所示。

圖2 齒輪箱故障率占比

全壽命周期內(nèi)運(yùn)行維護(hù)及管理要求

從出廠起，到運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)控、故障處理、備件儲(chǔ)備，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等每個(gè)環(huán)節(jié)均需加強(qiáng)管理。做好前期控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、盡早處理，預(yù)防為主、防治結(jié)合，嚴(yán)格執(zhí)行齒輪箱專項(xiàng)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(yàn)、清潔

齒輪箱裝配完成，必須嚴(yán)格按照檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行整箱檢驗(yàn)，按試車規(guī)范進(jìn)行加載試車。循環(huán)跑油后，尤其要保證出廠前的清潔度，達(dá)到齒輪箱清潔度要求，嚴(yán)格按采購(gòu)方和制造方雙方技術(shù)協(xié)議要求進(jìn)行相應(yīng)取樣檢測(cè)，嚴(yán)禁有大的金屬鐵屑、雜物殘留在齒輪箱內(nèi)，否則上天運(yùn)行后，過濾系統(tǒng)在短時(shí)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(huì)在齒輪箱運(yùn)行過程中對(duì)齒面、軸承滾道進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致壓痕、磨痕。

對(duì)新出廠齒輪箱加注新潤(rùn)滑油時(shí)，新油的清潔度需達(dá)到ISO4406 17/15/12標(biāo)準(zhǔn)，否則需經(jīng)過過濾。由裝配單位對(duì)每批次新齒輪箱潤(rùn)滑油的清潔度進(jìn)行合適比例的抽檢，抽檢樣本送具有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，并將所有檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行建檔。

二、存放和停機(jī)要求

(一)塔下存放

若齒輪箱出廠后需長(zhǎng)時(shí)間放置，必需制定相關(guān)存放要求，并嚴(yán)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(jìn)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(hù)保養(yǎng)：齒輪箱存放一段時(shí)間后，按要求去除內(nèi)部零件的灰塵、水汽、銹蝕后，潤(rùn)滑系統(tǒng)加油、通電，啟動(dòng)油泵進(jìn)行泵油循環(huán)，并以適當(dāng)速度盤動(dòng)高速軸;

(二)塔上停機(jī)

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組不發(fā)電時(shí)，如機(jī)組吊裝完成后以及后期運(yùn)行臨時(shí)停機(jī)，需對(duì)齒輪箱做好相關(guān)保護(hù)。

(1)如果傳動(dòng)鏈必須被鎖死，連續(xù)鎖住時(shí)間不能太長(zhǎng)，一般不超過一周。因?yàn)殒i緊銷與鎖緊盤存在間隙，葉輪的晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致齒輪副嚙合齒的來回?cái)[動(dòng)，時(shí)間過久會(huì)在嚙合處產(chǎn)生微動(dòng)磨損。

(2)空轉(zhuǎn)時(shí)，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(rùn)滑。

三、加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)管理

做好日常巡檢、定期維護(hù)，是風(fēng)電場(chǎng)目前降低齒輪箱故障率的主要手段。必須按照主機(jī)廠商作業(yè)指導(dǎo)書如《風(fēng)電機(jī)組齒輪箱全壽命周期內(nèi)運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)書》內(nèi)容保質(zhì)保量地進(jìn)行維護(hù)工作，確保齒輪箱良好潤(rùn)滑。按檢查難度、周期性要求、齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定維護(hù)項(xiàng)目，包括：日常巡檢、每季度項(xiàng)目、半年檢查項(xiàng)目與年度檢查項(xiàng)目。嚴(yán)禁屏蔽齒輪箱油溫、油壓、油位、濾芯堵塞等報(bào)警信號(hào)，遇到報(bào)警未查明原因和解決之前，禁止為保發(fā)電量而啟機(jī)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)上報(bào)警不停機(jī)的信號(hào)，也需盡快處理，不能延誤和遺忘。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組報(bào)其它錯(cuò)誤時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員首先嘗試的處理方法為遠(yuǎn)程復(fù)位(夜間值班期間尤為突出)。這種做法并不合適。少量誤報(bào)故障確實(shí)可通過復(fù)位消除，但頻繁的自動(dòng)復(fù)位動(dòng)作只會(huì)增加對(duì)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(shí)間。因此，出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)，應(yīng)停機(jī)檢查，及時(shí)找到問題原因并徹底處理。

四、專業(yè)檢測(cè)及周期更換項(xiàng)目

(一)振動(dòng)測(cè)試

通過專用的儀器工具，按照規(guī)定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行間斷或連續(xù)的監(jiān)測(cè)，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(yù)測(cè)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(jì)損失。如果沒有安裝在線振動(dòng)測(cè)試設(shè)備，則可采用離線設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該項(xiàng)工作應(yīng)定期開展，測(cè)試頻次至少每年1次，建議和齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查項(xiàng)目一起進(jìn)行。監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)安裝在線振動(dòng)測(cè)試設(shè)備階段性的不間斷監(jiān)控，分析其演變趨勢(shì)，決定處理措施。

(二)內(nèi)窺鏡檢查

由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精密，只有借助內(nèi)窺鏡的使用才能更準(zhǔn)確真實(shí)地掌握齒輪箱內(nèi)部零部件運(yùn)行狀況，比如行星齒面、圓柱齒面是否有點(diǎn)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(shì)及規(guī)律，提前做出預(yù)防或處理措施，避免缺陷嚴(yán)重?cái)U(kuò)展。該項(xiàng)工作建議檢查頻次至少每年1次。

(三)油品取樣檢測(cè)

潤(rùn)滑油性能、清潔度對(duì)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(yàn)，油品清潔度降低一等級(jí)、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(biāo)的變化。該項(xiàng)工作至少半年進(jìn)行一次。根據(jù)檢測(cè)報(bào)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(hào)后10天內(nèi)更換濾芯。濾芯的更換需嚴(yán)格按照齒輪箱濾芯更換方案實(shí)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(shí)更換。

(五)油品更換

對(duì)油質(zhì)進(jìn)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(biāo)判定是否需進(jìn)行過濾、更換。更換工作必須由專業(yè)隊(duì)伍嚴(yán)格按照換油方案進(jìn)行實(shí)施。

(六)聯(lián)軸器對(duì)中

如果齒輪箱與發(fā)電機(jī)的對(duì)中情況不好，會(huì)影響到齒輪箱輸出端軸承以及發(fā)電機(jī)軸承，繼而引起齒面異常。該工作建議1年進(jìn)行1次。

(七)齒輪箱易損件更換

齒輪箱易損件更換時(shí)間或失效標(biāo)準(zhǔn)如表2。

五、建立跟蹤檔案，全面掌握運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)的變化，才能做到有的放矢、科學(xué)管理。建立檔案就能很好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

風(fēng)電場(chǎng)必須嚴(yán)格按照主機(jī)廠商編制的齒輪箱維護(hù)指導(dǎo)書內(nèi)容進(jìn)行日常巡檢、定檢維護(hù);持續(xù)建立齒輪箱檔案;每個(gè)月定期調(diào)取運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔分析;現(xiàn)場(chǎng)做好各種異常處理;定期完成內(nèi)窺鏡檢查、振動(dòng)測(cè)試、油品檢測(cè);并及時(shí)、定期完成各種記錄并按要求建檔反饋,實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)異常情況制定處理措施。

(一)日常、定檢維護(hù)檔案

按照技術(shù)部門編制的齒輪箱運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)書，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施隊(duì)伍將所進(jìn)行的日常、定檢維護(hù)情況進(jìn)行記錄。

(二)齒輪箱檔案

包括制造廠家、序號(hào)、出廠編號(hào)、制造日期、速比、運(yùn)行時(shí)間等。

(三)齒輪箱軸承及齒輪參數(shù)檔案

根據(jù)齒輪箱型號(hào)、出廠編號(hào)明確分辨各級(jí)軸承的生產(chǎn)廠家和具體型號(hào)、各級(jí)齒輪參數(shù)。

(四)油品檔案

以各項(xiàng)關(guān)鍵理化指標(biāo)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(dòng)摩擦副的磨損狀況，并按企業(yè)制定的指標(biāo)值：警戒線和行動(dòng)線采取相應(yīng)措施。

油品監(jiān)測(cè)除了采取定期取樣方法外，國(guó)內(nèi)的油品在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也趨于成熟，風(fēng)電場(chǎng)可考慮在齒輪箱上安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控油品狀態(tài)。

(五)振動(dòng)測(cè)試檔案

選取齒輪箱幾個(gè)關(guān)鍵部位的測(cè)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(shì)一目了然。具體測(cè)試時(shí)，可限定相同轉(zhuǎn)速以對(duì)比研究。某風(fēng)電場(chǎng)的一臺(tái)齒輪箱振動(dòng)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(shí)不處理，需做記號(hào)跟蹤，并縮短檢查周期。

(七)異常處理檔案

在齒輪箱日常運(yùn)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)異常，則必須進(jìn)行詳細(xì)檢查，提出處理措施，避免缺陷擴(kuò)展。無論是現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警、整體更換等，都應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行檢查，跟蹤問題是否得到根治，每臺(tái)機(jī)組每次處理過程與結(jié)果都必須記錄在案。

六、數(shù)據(jù)庫(kù)建立及遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警分析系統(tǒng)

前期由人工建立齒輪箱各項(xiàng)數(shù)據(jù)檔案，并對(duì)格式進(jìn)行優(yōu)化、固化，后期建立數(shù)據(jù)庫(kù)。借助現(xiàn)代化通訊手段、大數(shù)據(jù)處理方法，通過建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將齒輪箱CMS(在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))系統(tǒng)信號(hào)和齒輪箱溫度、油壓、油品清潔度等運(yùn)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(shí)現(xiàn)通過專業(yè)軟件對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持，即時(shí)監(jiān)控、分析，提供指導(dǎo)和建議，縮短問題處理時(shí)間;另可生成各種報(bào)表，建立一套連續(xù)、長(zhǎng)期的齒輪箱綜合信息檔案，為風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)維修計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)對(duì)齒輪箱的影響，如振動(dòng)問題，以及優(yōu)化控制策略減少傳動(dòng)鏈振動(dòng)。齒輪箱電動(dòng)油泵、機(jī)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)控制方式以及啟停控制策略必須科學(xué)化、最優(yōu)化。油品溫度、軸承溫度、油位、油壓報(bào)警值設(shè)定要合理，運(yùn)行中遇到報(bào)警嚴(yán)禁屏蔽信號(hào)，必須及時(shí)處理。

(二)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如果齒輪箱在某一個(gè)位置損壞率較其它部位偏高，則有必要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)備

齒輪箱出現(xiàn)問題，備件的缺乏也是制約風(fēng)電機(jī)組利用率的原因之一。適當(dāng)準(zhǔn)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(chǔ)備整機(jī)齒輪箱，可極大減少恢復(fù)處理時(shí)間。

八、分析及制定措施

對(duì)齒輪箱多發(fā)故障、典型缺陷、運(yùn)行數(shù)據(jù)、處理信息及健康管理結(jié)果進(jìn)行分析，研究預(yù)防手段，擬定處理措施、監(jiān)控運(yùn)行措施、預(yù)期維修計(jì)劃及更換計(jì)劃，如研究抗磨自修復(fù)等新技術(shù)應(yīng)用、零部件項(xiàng)修、整機(jī)大修等。根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，齒輪箱在運(yùn)行7至8年后會(huì)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(huì)影響齒輪副的嚙合精度，進(jìn)而導(dǎo)致齒面破壞。合理、有計(jì)劃地安排大修，可減小風(fēng)電機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)率。

結(jié)語(yǔ)

齒輪箱管理是風(fēng)電場(chǎng)的管理十分重要的一部分，要做到科學(xué)、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(yù)防。做好齒輪箱的健康持續(xù)管理，盡量延長(zhǎng)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(hù)成本。文中所述的管理方法及技術(shù)措施可以作為風(fēng)電場(chǎng)齒輪箱健康管理的參考。

(作者單位：東 方電氣風(fēng)電有限公司)