通過對不同齒輪箱振動頻譜的檢測結果的分析，論述了判斷齒輪箱由于長期處于某些惡劣條件下，如交變載荷或潤滑油失效，引起的齒輪和軸承損壞的檢測方法。分析了齒輪箱出現故障的原因以及應采取的措施。
關鍵詞：風電機 齒輪箱 軸承 狀態(tài)檢測
一、風電機組齒輪箱的結構及運行特征
我國風電場中安裝的風電機組多數為進口機組。近幾年來，一批齒輪箱發(fā)生故障，有些由廠家更換，也有的由國內齒輪箱專業(yè)廠進行了修理。有的風場齒輪箱損壞率高達40~50%，極個別品牌機組齒輪箱更換率幾乎接近100%。雖然齒輪箱發(fā)生損壞不僅僅在我國出現，全世界很多地方同樣出現過問題，但在我國目前風電機組運行出現的故障中已占了很大比重，應認真分析研究。
1) 過去小容量風電機組齒輪箱多采用平行軸斜齒輪增速結構，后來為避免齒輪箱造價過高、重量體積過大，500kW以上的風電機組齒輪箱多為平行軸與行星輪的混合結構。由于風電機組容量不斷增大，輪轂高度增加，齒輪箱受力變得復雜化，這樣就造成有些齒輪箱可能在設計上就存在缺陷。
2) 由于我國有些地區(qū)地形地貌、氣候特征與歐洲相比有特殊性，可能對標準設計的齒輪箱正常運行有一定影響。我國風電場多數處于山區(qū)或丘陵地帶，尤其是東南沿海及島嶼，地形復雜造成氣流受地形影響發(fā)生崎變，由此產生在風輪上除水平來流外還有徑向氣流分量。我國相當一部分地區(qū)氣流的陣風因子影響較大，對于風電機組機械傳動力系來說，經常出現超過其設計極限條件的情況。作為傳遞動力的裝置-齒輪箱，由于氣流的不穩(wěn)定性，導致齒輪箱長期處于復雜的交變載荷下工作。由于設備安裝在幾十米高空，不可能容易地送到工廠檢修，因此經常進行狀態(tài)監(jiān)視可以及時發(fā)現問題，及時處理，還可以分析從出現故障征兆到徹底失效的時間，以便及時安排檢修。
3) 在我國北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風場極端(短時)最低氣溫達到-40℃以下，而風力發(fā)電機組的設計最低運行氣溫在-20℃以上，個別低溫型風力發(fā)電機組最低可達到-30℃。如果長時間在低溫下運行，將損壞風力發(fā)電機組中的部件，如齒輪箱。因此必須對齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因為當風速較長時間較低或停風時，齒輪油會因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤滑部位，無法得到充分的潤滑，導致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而損壞。如果機艙溫度也很低，那么管路中潤滑油也會發(fā)生流動不暢的問題，這樣當齒輪箱油不能通過管路到達散熱器，齒輪油溫會不斷上升直至停機。
歸納起來，我們可以分析在我國風電場經常發(fā)生齒輪箱故障可能主要有以下原因：
1、齒輪箱潤滑不良造成齒面、軸承過早磨損
-大氣溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達需潤滑部位而造成磨損
-潤滑劑散熱不好，經常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞機械嚙合表面
-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤滑劑“中毒”而失效
2、設計上存在缺陷
齒輪的承載能力計算一般按照ISO6336(德國標準DIN3990)進行。當無法從實際運行得到經驗數據時，廠家可能選用的應用系數KA為1.3，但實際上由于風載荷的不穩(wěn)定性，使得設計與實際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過大而疲勞破壞。說明當選擇應用系數KA為1.3時，齒輪傳動鏈中載荷遠超出按假設設計值。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當大，而造成軸承損壞。
3、失速調節(jié)型風電機組安裝角如果設置過大時，冬季就會出現過功率現象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。
二、風電機組齒輪箱故障診斷
通過對風電機組旋轉部件的運行特征進行狀態(tài)監(jiān)測，比如實時監(jiān)測齒輪箱、主軸、發(fā)電機等部件的振動頻譜、齒輪油污染情況或定期對上述部件的狀態(tài)進行監(jiān)測、記錄，及時發(fā)現隱患，找出導致問題出現的原因，相應采取措施加以解決。從風力發(fā)電機組齒輪箱目前發(fā)生的故障來看，齒輪、軸承部件的損壞主要有幾種情況的磨損：粘附磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和氣蝕。這些磨損出現之后，輕則金屬微粒會污染潤滑劑，影響功率傳遞，產生噪音，造成齒面嚴重磨損或斷裂，軸承內外圈或滾珠損壞，嚴重的使機組無法轉動而徹底停機。當機械部件發(fā)生初期磨損時，其振動頻譜上會產生響應特征頻率，通過測試儀器可以進行設備的狀態(tài)監(jiān)測。
1.應用SKF公司CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組齒輪箱故障進行診斷
我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測儀，對張北風場2臺NTK300/31（其中：1號機齒輪箱在齒輪箱廠才修過且運行不滿1年，2號機為出現問題齒輪箱）齒輪箱進行了對比，通過齒輪箱內軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動分析，準確地找出了2號機齒輪箱的故障點，既NJ234和NJ320二個軸承損壞，為齒輪箱修復發(fā)現問題及解決問題提供了判定依據，減少了修理周期，相應提高了設備可用率。
機組情況描述:機型NTK300/31(NEG/MICON早期產品) 額定功率：300kW
齒輪箱類型: JA/KE CS520
安裝風場： 張北風電場
已運行時間： 30,505h
已發(fā)電量： 2,923,913kWh
齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234 (IM1)內圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動16mm，進而引起，軸承22318 (HS)和NJ320 (IM2)損壞。
監(jiān)測方式：分別對張北風場兩臺JA/KE CS520 (NTK300/31)齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測
監(jiān)測對象：1號齒輪箱為在齒輪箱廠才修過且運行不滿1年；2號為有問題齒輪箱
監(jiān)測狀態(tài)：風電機組投運，并網發(fā)電
監(jiān)測時間：2h
取樣/分析程序：
1) 所有軸承端蓋的水平和垂直方向各取1個點
2) 風電機組并網，依次在各取樣點提取振幅和頻率數據
3) 在計算機中進行頻譜分析，得知軸承、齒輪嚙合狀況。若發(fā)現問題，根據頻譜特征，結合齒輪箱的運行參數，推斷引起問題的因素。
4) 建立狀態(tài)分析檔案，跟蹤質量檢查。
監(jiān)測結果：
1號齒輪箱：齒輪間嚙合及軸承運行工況良好。
2號齒輪箱：
1) 輸入軸：出現齒輪箱的嚙合頻率及其高倍的諧波分量，說明軸承狀態(tài)良好，齒輪運行存在缺陷。
2) IM1軸：
輸入端：出現了缺陷頻率和諧波分量，說明軸承狀態(tài)及齒輪運行不良。
輸出端： 出現大量的缺陷頻率和諧波分量并加雜大量邊頻，說明軸承己明顯損壞，齒輪的嚙合不良。
3) IM2軸：出現不少軸承缺陷特征，說明軸承有問題，如圖1。
4) 高速軸：輸出端的振動頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。
三、結論
綜上所述，我們認為：對于齒輪箱齒輪、軸承的故障診斷尚處于摸索時期，還需要有一定的時間和更多的實踐，由于我們對為數不多的幾臺風電機組的齒輪箱進行了分析，難免存在有一定的片面性，但其效果經證實是有效的。
我們采用狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)對風力發(fā)電機組齒輪箱進行檢測，對于我們發(fā)現和正確判斷出現的故障以及判斷故障位置和可能的原因有很大的幫助，從風力發(fā)電機組運行管理的角度來看，我們必須了解齒輪箱的狀態(tài)，以及當出現問題時能得到正確的判斷和相應的處理。我們感到只有借助儀器的測試數據才能真正了解故障的原因以及應采取的措施，避免故障的進一步擴大，并指導日后的修理。
某些振動頻率幅值超過設計極限，也是造成設備損壞的一個原因，因此國外一些廠家在齒輪箱上安裝一些阻尼器，抑制某些頻率而達到減少設備破壞的目的。
我們無論是國產化制造齒輪箱還是齒輪箱的用戶，在今后運行維護中應注意以下幾點：
1) 必須深入了解齒輪箱輸入的載荷譜，以及齒輪箱的振動頻譜，通過測試分析找出故障原因，并在設計制造中進行改進，如設計參數、加工工藝改變。
2) 對于不同用戶應采取不同措施，如陣風大，交變應力較大的地方，應對齒輪箱及軸承進行加強設計。
3) 低溫時，應考慮妥善的加熱方法，以及良好的散熱系統(tǒng)。
4) 應充分監(jiān)視振動頻譜，對齒輪箱故障進行預測，如果齒輪箱軸承或齒輪出現故障特征頻率時，及時分析處理，并不斷進行測試最終建立數據庫。
5) 應不斷檢查潤滑部位是否充分得到潤滑，以及潤滑劑是否有雜質，是否已經失效。
6) 必須對重點部位的溫度進行監(jiān)視，對超溫進行保護并及時發(fā)現問題。
總之，齒輪箱損壞需引起我們的重視。正確分析原因，采取相應措施，國產齒輪箱代替進口是完全可行的。
