风电齿轮箱断齿问题分析

风电齿轮箱断齿问题分析

一、引言

近年来中国的风电产业蓬勃发展，2011年全国新增装机容量达18ＧＷ，居世界第一。以华锐风电科技（集团）股份有限公司、金风科技股份有限公司、国电联合动力技术有限公司为代表的一批本土风电装备及关键零部件制造企业正在迅速崛起，推动我国发展成为世界上最大的风电装备制造基地。但我国自主风电装备制造仍然面临着一些深层次的问题，值得深思，且直接体现在以下两方面：一是中国区域气候特点明显，北方具有沙尘、低温、冰雪等恶劣工况，东南沿海具有台风、盐雾等恶劣工况，这与欧洲的标准风况（ＩＥＣ６１４００－１）差异明显，使得在引进技术基础上制造的风电装备的可靠性不足，故障率较高。我国北方的大型陆上风场普遍存在的长时间干燥扬尘的低温气候，对风电机组正常运行的影响非常大，会导致叶片表面损伤乃至脆断，而且液压系统密封不良、污染、液压油黏度增大等会产生工作不良及安全问题，齿轮箱密封润滑系统功能退化、低温停机较长时间后变速箱内油温低、黏稠等都会降低系统寿命，而西欧的海洋性暖温带气候则要温和得多，对风电设备的性能影响也小。二是当前国内的风机开发与欧美发达国家还存在着明显代差。欧美风电装备制造企业已经跨域了5—6ＭＷ的水平，正在大力推进10ＭＷ级风电装备的研制工作，而国产主流机型还处于1.5—3ＭＷ的级别。更重要的是我国风电制造企业在核心技术上基本处于引进吸收和模仿阶段，尚未具备系统性的装备自主研发能力，引进的是产品线及部分生产技术，但是没有形成系统的设计开发能力和生产技术开发能力。这也是我国在风电装备开发、生产和应用上与国际先进水平差距显著的重要原因。分析近年来我国风电装备产业的发展历程，多数风电装备制造企业的技术能力与实际的设备可靠运行要求之间还存在着显著的差距。从风电装备服役运行中的主要技术问题做起，探究相关的设计制造科学理论与先进技术方法，提升自主设计能力及制造技术能力，已成为我国风电装备制造产业健康发展的重大课题。因此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》和《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（2010）中都明确提出了“重点研究开发大型风力发电设备”、“提高风电技术装备水平，有序推进风电规模化发展”等要求。

总体上说，因主传动链机械故障导致停机的时间占据了风机故障停机时间的40%—60%甚至更多，是影响系统性能和可靠服役的关键问题（国产风电齿轮箱的问题更显著一些）。导致这些机械故障产生的主要外在因素可以归纳为极端气候条件、长期交变载荷作用、恶劣工作环境与复杂载荷的综合作用等，而主要的内在原因则可以追溯到传动系统的结构及装配质量技术等问题。目前新一代风机随着单机容量的增大，部件的尺寸、质量、系统复杂程度都在增加，同时包括海上风机在内的装备发展对系统可靠性的要求在进一步提高，因此对传动系统的相关问题如果不给予更大重视，必然会增加系统的故障率，降低服役可靠性。

二、断齿问题分析

1.齿轮损伤

齿轮损伤主要包括轮齿折断（断齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。对齿轮箱中齿轮出现的故障，国内外的观察结果或报告都较为一致，即发生最多的仍为齿面的损坏，从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。断齿常由细微裂纹逐步

扩展而成。突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷、发生故障时的紧急制动等，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断；另外轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等也会引起轮齿的冲击折断；齿轮材料缺陷，点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区均会引起齿轮的断裂。在风电齿轮箱内部行星级、低速中间级、高速级都曾出现的情况中，齿轮断齿的情况最为严重，一旦出现断齿的情况，大部分齿轮箱需要下塔进行维修。

2.断齿是主要包括疲劳断齿和过载断齿两种形式,其中大多数为疲劳断齿。发生断齿时齿

轮箱箱体振动信号的主要特征为:

1)频域:以齿轮所在轴转频及其高阶谐波成分为主。

2)时域:振动均方根值大幅度的增加。

3.齿轮损伤分析：

A.齿面磨损

(l)磨粒摩擦导致的磨损

在齿轮啮合过程中,若润滑不良或齿面上存在微小颗粒,齿面均将发生剧烈的磨损,这种磨损被称为磨粒磨损。当齿轮齿面受到磨粒磨损时,齿面颜色变暗,沿滑道方向会出现细而均匀的磨痕。磨粒磨损剧烈时,会使齿形发生变化,齿厚变薄,严重时还会导致断齿。

(2)腐蚀作用导致的磨损

腐蚀磨损是在化学腐蚀和机械磨损共同作用下,产生一系列的小坑,并在啮合齿面上沿滑动速度方向出现均匀而细小的磨痕。其中以化学腐蚀为主,磨损产物主要成分为FeZO3。化学腐蚀磨损产生的原因是由于润滑剂中存在污染物或杂质,与轮齿发生化学或电化学反应,腐蚀部分在啮合摩擦和润滑剂冲刷的共同作用下脱落。

(3)冲击作用导致的磨损

齿轮轮齿端面受到冲击载荷作用将会导致磨损。齿轮表面硬度过低,则轮齿端面容易磨损或起毛刺;硬化层过浅,则易被压碎,进而暴露出心部的软组织;齿轮心部硬度过高或金相组织中碳化物含量过低,轮齿尖角处容易发生现崩裂现象。

B.齿面胶合擦伤

胶合现象是啮合齿面的金属,在一定压力下直接接触发生“焊合”,继续相对运动作用导致齿面金属撕落,或从一个齿面向另一个齿面转移而引起的损伤现象,是一种非常严重的磨损形态。接触面局部发生粘合,接触面上的小颗粒在相对运动下从粘合处分离出来,该过程反复进行多次后,齿面即发生破坏。胶合损伤一般发生在重载或高速的齿轮传动中,主要是由于润滑条件不良,齿面间的油膜破裂所致。

胶合磨损在齿面沿滑动速度方向会出现条状沟纹,沟纹粗糙。齿顶和齿根处的磨损比较严重,齿轮箱运转时,产生的噪声等级明显升高。胶合分为冷、热两种,冷胶合产生的沟纹比较清晰,热胶合一般会伴有变色现象,这是由于高温烧伤所致。

冷胶合一般发生在重载低速传动的情况下。其产生原因是由于局部压力过高,造成轮齿表面油膜破裂,啮合的轮齿金属表面直接接触,在受压力产生塑性变形的同时,由于分子相互的扩散和局部再结晶等原因,接触点发生粘合,继续相互运动时,粘合点被撕开,进而形成了冷胶合撕伤。

与冷胶合不同,热胶合通常发生在重载高速或中速传动中。这种现象产生是由于齿面接触点局部温度的升高导致油膜及其他表面膜破裂,致使表层金属熔合后发生二次撕裂。

值得注意的是,新齿轮在未经磨合前,也常常会在某一局部产生胶合现象,使齿轮产生胶合磨损。

C.齿面接触疲劳

(l)点坑疲劳剥落