风力发电机组齿轮箱轴承的保养和维护

 近年来随着风电机组单机容量的不断增大，以及风电机组的投行时间的逐渐累积，由齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，由此带来的直接和间接损失也越来越大，维护人员投入相关工作的工作量也有上升趋势。这就促使越来越多的风电场开始加强齿轮箱的日常监测和定期保养工作。 
    以我场为例：2000至2002年由于齿轮箱故障或损坏导致的直接电量损失年均约15万kwh，占非常规维护工作量的40%以上。 
    由于并网型风电机组起停较为频繁，叶轮本身转动惯量又很大，大中型风电机组的叶轮转速一般都设计在20－40转/分，机组容量越大，叶轮直径越长，转速相对就越低，为满足异步双速电机的工作条件，在叶轮和发电机之间就需要装设齿轮箱增速。由于机舱尺寸的限制，大型风电机组的机械传动系统一般都沿机舱轴线布置，齿轮箱也从以前多级正齿或斜齿齿轮箱而改为更多采用结构紧凑的行星齿轮箱。随着大型风电机组采用的齿轮箱传递扭矩增大，结构更加紧凑、复杂，对风电机组维护检修人员的要求也不断提高。 
    1. 日常保养和定期保养维护 
    1. 1日常保养 
    风电机组齿轮箱的日常保养内容主要包括：设备外观检查、润滑油位检查、电气接线检查等。 
    具体工作任务包括：运行人员登机工作时应对齿轮箱箱体表面进行清洁，检查箱体及润滑管路有无渗漏现象，外敷的润滑管路有无松动，由于风电机组振动较大，如果外敷管路固定不良将导致管路接头密封损坏甚至管路断裂。此外，还要注意箱底放油阀有无松动和渗漏，避免放油阀松动和渗漏导致的齿轮油大量外泄。 
    由油标尺或油位窗检查油位及油色是否正常，发现油位偏低应及时补充。若发现油色明显变深发黑时，应考虑进行油质检验，并加强机组的运行监视。遇有滤清器堵塞报警时应及时检查处理，在更换滤芯时应彻底清洗滤清器内部，有条件最好将滤清器总成拆下在车间进行清洗、检查。安装滤清器外壳时应注意对正螺纹，均匀用力，避免损伤螺纹和密封圈。 
    检查齿轮油位油位、温度、压力、压差、轴承温度等传感器和加热器、散热器的接线是否正常，导线有无磨损。在日常巡视检查时还应当注意机组的噪音有无异常，及时发现故障隐患。 
    1. 2定期保养维护 
    风电机组定期保养维护内容主要包括：齿轮箱连接螺栓的力矩检查、齿轮啮合及齿面磨损情况检查、传感器功能测试、润滑及散热系统功能检查、定期更换齿轮油滤清器，油样采集等。有条件时可借助有关工业检测设备对齿轮箱运行状态的振动及噪音等指标进行检测分析，以期更全面地掌握齿轮箱的工作状态。 
    根据风电机组运行维护手册，不同的厂家对齿轮油的采样周期也不尽相同。一般要求每年采样一次，或者齿轮油油使用两年后采样一次。对于发现运行状态异常的齿轮箱根据需要，随时采集油样。齿轮油的使用年限一般为三至四年。由于齿轮箱的运行温度、年运行小时以及峰值出力等运行指标不尽相同，笼统地以时间为限作为齿轮油更换的条件，在不同的运行环境下不一定能够保证齿轮箱经济、安全地运行。这就要求运行人员平时注意收集整理机组的各项运行数据，对比分析油品化验结果的各项参数指标，找出更加符合自己电场运行特点的油品更换周期。 
    我场在油品采样时，考虑到样品份数的限制，一般选取运行状态较恶劣的机组（如：故障率较高、出力峰值较高、齿轮箱运行温度较高、滤清器更换较频繁）作为采样对象。根据油品检验结果分析齿轮箱的工作状态是否正常，润滑油性能是否满足设备正常运行需要，并参照风电机组维护手册规定的油品更换周期，综合分析决定是否需要更换齿轮油。油品更换前可根据实际情况选用专用清洗添加剂，更换时应将旧油彻底排干清除油污，并用新油清洗齿轮箱，对箱底装有磁性元件的，还应清洗磁性元件，检查吸附的金属杂质情况。加油时按手册要求油量加注，避免油位过高，导致输出轴油封因回油不畅而发生渗漏。 
    2. 齿轮箱运行过程中常见故障的处理 
    2.1齿轮油泵过载 
    常见故障原因： 齿轮油泵过载多发生在冬季低温气象条件之下，当风电机组故障长期停机后齿轮箱温度下降较多，齿轮油粘度增加，造成油泵启动时负载较重，导致油泵电机过载。 
    处理方法：出现该故障后应使机组处于待机状态下逐步加热齿轮油至正常值后再启动风机，避免强制启动风电机组，以免因齿轮油粘度较大造成润滑不良，损坏齿面或轴承以及润滑系统的其它部件。 
注意事项：我场曾发生过冬季低温工况下，直接启动故障停机多日的机组，因齿轮油温度偏低，粘度增大，使润滑系统工作压力升高，波动较大，导致滤清器密封圈损坏，齿轮油外泄。 
    齿轮油泵过载的另一常见原因是部分使用年限较长的机组，油泵电机输出轴油封老化，导致齿轮油进入接线端子盒造成端子接触不良，三相电流不平衡，出现油泵过载故障，更严重的情况齿轮油甚至会大量进入油泵电机绕组，破坏绕组气隙，造成油泵过载。出现上述情况后应更换油封，清洗接线端子盒及电机绕组，并加温干燥后重新恢复运行。 
    2.2齿轮油温度过高 
    常见故障原因：齿轮油温度过高一般是因为风电机组长处于时间满发状态，润滑油因齿轮箱发热而温度上升超过正常值。 
    处理方法：出现温度接近齿轮箱工作温度上限的现象时，可敞开塔架大门，增强通风降低机舱温度，改善齿轮箱工作环境温度。若发生温度过高导致的停机，不应进行人工干预，使机组自行循环散热至正常值后启动。有条件时应观察齿轮箱温度变化过程是否正常、连续，以判断温度传感器工作是否正常。 
    注意事项：若在一定时间内，齿轮箱温升较快，且连续出现油温过高的现象应当首先登机检查散热系统和润滑系统工作是否正常，温度传感器测量是否准确，之后，进一步检查齿轮箱工作状况是否正常，尽可能找出发热明显的部位，初步判断损坏部位。必要时开启观察孔检查齿轮啮合情况或拆卸滤清器检查有无金属杂质，同时采集油样，为设备损坏原因的分析判断搜集资料。 
    正常情况下较少发生齿轮油温度过高的故障，若发生油温过高的现象应当引起运行人员的足够重视，在未找到温度异常原因之前，避免盲目开机使故障范围扩大，造成不必要的经济损失。 
    下列是我场2000年初一台齿轮箱损坏前48小时的部分运行参数图表： 
    通过下列参数对比可以看出齿轮箱损坏前后，运行温度变化较为明显。运行人员发现温度异常后登机检查发现机组运行噪音变化不是非常明显，但中箱体行星架处温度明显偏高，滤清器内有2mm2左右的鳞片状铁屑和大量金属粉末。后对该机解体后发现，高速轴轴承损坏后齿轮位移，导致行星架齿面啮合异常而损坏。 
    由此可见，在风电机组的日常运行中，对齿轮箱运行温度的观察比较，对维护人员及时准确地掌握齿轮箱的运行状态的改变有着较为重要的意义。 
    2.3齿轮油位低 
    常见故障原因：齿轮油位低故障是由于齿轮油低于油位下限，磁浮子开关动作。 
    处理方法：风电机组发生该故障后，运行人员应及时到现场可靠检查齿轮油位，必要时测试传感器功能。不允许盲目复位开机，避免润滑条件不良损坏齿轮箱或者齿轮箱有明显泄漏点开机后导致更多的齿轮油外泄。 
    注意事项：在冬季低温工况下，油位开关可能会因齿轮油粘度太高而动作迟缓，产生误报故障，所以有些型号的风电机组在温度较低时将油位低信号降级为报警信号，而不是停机信号，这种情况下也同样认真对待，根据实际情况作出正确的判断，以免造成不必要的经济损失。 
    2.4齿轮油压力低 
    常见故障原因：齿轮油压力低故障是由于齿轮箱强迫润滑系统工作压力低于正常值而导致压力开关动作。 
    处理方法：故障原因多是油泵本体工作异常或润滑管路异常而引起，但若油泵排量选择不准且油位偏低，在油温较高润滑油粘度较低的条件也会出现该故障。有些使用年限较长的风电机组因为压力开关老化，整定值发生偏移同样会导致该故障，这时就需要在压力试验台上重新整定压力开关动作值。 
    2.5相关故障 
    2.5.1刹车盘的变形 
    我场较早投运的部分中等容量机组，刹车盘先后出现较明显的变形，直接影响到了低风速下风电机组的并网运行，经与外方技术人员讨论后认为，刹车力矩偏大，刹车时间较短，产生的热量过于集中，先后将原先使用的15#液压油换为32#液压油，并换装了刹车阻尼管，延长了刹车动作到机组制动的时间，同时更换了卡钳式弹簧刹车体内的叠簧，降低了刹车力，通过上述改进，新更换的刹车盘，目前未出现变形现象。同时，相对柔软的刹车过程，也大大降低了整个过程对齿轮箱的冲击载荷，刹车片的磨损也有所减轻，一定程度上节约了运行费用。 
    2.5.2液压油位低 
    我场某台600kw风电机组一段时间内接连报液压油位低故障，多次登机检查未发现渗漏部位。经分析认为有可能齿轮箱内部的叶尖液压管路发生泄漏。运行人员进一步检查该机组齿轮箱，发现润滑油油位偏高且油质改变，经油质化验发现润滑油粘度降低。对齿轮箱内部液压管路进行的压力实验也发现管路存在轻微渗漏。 
    在对齿轮箱内部液压管路进行防渗处理之后，机组液压管路恢复正常。由于故障的发现和处理较为及时，目测检查齿轮表面未发现异常现象，在重新更换润滑油后，机组投入正常运行。 
    3.偏航减速器常见故障处理 
    偏航减速器的主要作用是驱动机舱旋转，跟踪风向的变化，偏航过程结束后又担任着部分制动机舱的作用。工作特点是间歇工作起停较为频繁，传递扭矩较大，传动比高。因其工作特点及安装位置限制，多采用蜗轮蜗杆机构或多级行星减速机构。我场风电机组的偏航减速器较多采用的是多级行星减速机构。由多年的运行经验来看，采用双偏航减速器驱动的风电机组，减速器的工作情况较为正常。而采用单电机驱动的风电机组，减速器的工作情况相对较差。经解体检查发现部分故障机组的行星机构存在疲劳裂纹或者断裂损坏。比较典型的有： 
    a.某型150kw风电机组采用单侧偏航减速器驱动，约四分之一机组的偏航减速器第二级行星架内花键齿根存在不同程度的疲劳裂纹，部分花键齿断裂。此外，偏航电机输出轴键槽变形。经分析认为：该型机组偏航刹车主要依靠偏航电机末端的电磁刹车，辅以尼龙阻尼刹车。机组运行期间整个偏航减速器承担了大部分冲击载荷，导致部分薄弱部位出现疲劳损坏。 
    b.某型600kw风电机组采用单侧偏航速器驱动，对侧采用减速机构阻尼。其中一台投运约三年半后输出轴断裂，解体发现行星减速机构部分位置有轻微疲劳裂纹。该机组输出轴断裂前控制器的偏航刹车释放指令输出继电器触点接触不良，造成偏航减速器在刹车未释放状态下强行偏航，因故障点较为隐秘，且故障现象不连续，未能及时处理解决。故障状态时断时续，持续了约有二十天左右后解决，约三个月后出现了输出轴断裂故障。经分析认为：偏航减速器在刹车未释放状态下强行偏航，是导致输出轴断裂的主要原因，但从解体结果来看，该型风电机组的偏航减速器存在着设计余量偏小隐患，有可能进一步疲劳损坏。 
    时隔一年半后，同型风电机组的偏航减速器在运行期间出现异常噪音，输出轴存在明显的间隙，解体发现，减速器内齿轮传动机构损坏严重，行星轮齿面断裂，行星架内花键损伤。经初步分析认为：减速器内部齿轮因疲劳出现断裂，影响了其余齿轮的啮合状态，进一步损坏了整个齿轮传动机构。该机组从最后一次登机工作到故障发生间隔不到一个月，运行人员登机工作时未发现偏航系统有异常噪音，且检查油位正常，其间也未发生过偏航电机过载故障，这就提醒运行人员对偏航减速器的日常检查要更加认真细致，力争做到防患于未然。 
    综合两种型号偏航减速器的运行情况可以看到，单侧偏航减速器驱动的风电机组，偏航减速器的损坏概率较双侧偏航减速器驱动的风电机组偏高。在日常巡视检查及维护保养时运行人员应当注意观察偏航减速器的运行状态，按时检查油位，定期检测偏航刹车残压，测试偏航刹车释放功能和偏航电机热继电器的功能，对于尼龙阻尼的机组应合理调整接触面间隙，加强接触面的润滑，避免出现偏航减速器长期重载或过载运行。 
    另外，在日常维护保养工作中运行维护人员还应当注意偏航减速器小齿轮与偏航齿圈的啮合及润滑情况，及时清理偏航刹车盘上的油污，保证足够的刹车力矩，减少偏航减速器承受的冲击载荷。对于部分新投运的机组还应当在投运之前及时将排气口的密封堵头换为排气帽，避免减速器投运后润滑油发热膨胀而损坏箱体的密封性能。 
    4.技术改进 
    我场运行维护的某型500kW风电机组在额定功率附近工作时，齿轮箱的工作温度普遍偏高，在过载运行过程中多次发生齿轮油过热故障，电量损失较大，对运行也有不利的影响。 
运行人员在日常的登机工作过程中感觉该型机组出力较高时，机舱内的温度偏高，经过一段时间的测量观察发现机组满发运行状态机舱内的温度与外界环境温度最高可相差25℃左右。经过讨论，运行人员初步提出了两种改进方案： 
    1.增加齿轮箱散热器的片数，加快齿轮油热交换速度。 
    2.改善机舱通风条件，加速气流的流动，降低齿轮箱运行环境温度。 
    经过实际运行状态下的烟雾实验，发现该型机组机舱内的气体循环通路大致为：外界空气由发电机尾部的冷却风扇抽入，气流到达机舱中部刹车罩上方时出现滞留现象，在刹车罩上方形成一个高压区，然后气流向上行走，向机舱后部折返，通过机舱后部通风口排出。在齿轮箱周围的空气并没有形成明显的空气对流。因此，风机在额定功率附近工作时，机舱温度较高。 
    针对这一现象，并考虑到改造工作的成本，运行人员采用了第二种方案，在机舱正面加装了两扇20×20cm的通风窗。经作烟雾试验表明，改进后外界空气直接由机舱正面吹入，进入机舱后将齿轮箱附近的热空气推向后方，通过机舱后部的通风口排出，不但直接对齿轮箱箱体进行了冷却，而且加强了机舱内的空气流动，降低了齿轮箱工作的环境温度。（如图所示） 
    加装通风窗后，运行人员对上述机组在典型工况下的运行数据进行了收集整理，经过对比分析可看出： 
    1#机组在加装通风窗后，在高风速满发工作状态下，齿轮箱油温度降低了约2℃左右，机舱内的温度未采集； 
    2#机组在加装通风窗后，在高风速满发工作状态下，齿轮箱油温度降低了约4℃左右，机舱内的温度未采集； 
    3#机组在加装通风窗后，在高风速满发工作状态下，齿轮箱油温度降低了约6.8℃左右，机舱内的温度降低了约14℃左右； 
    该项工作结束后上述三台机组的齿轮箱工作温度都有所下降，基本未出现齿轮油温过热导致的停机现象，达到了预期的效果。 
    下图即为满发工况下，风电机组齿轮箱及机舱温度的对比： 
    随后，运行人员又在类似机型上进行了增加散热器片数的实验工作，经过近半年的观察对比，发现该机组在正常满发状态下，齿轮油温度比同型机组降低了5℃左右，效果也比较理想。下一步计划对个别已加装通风窗但温度仍略有偏高的机组再增加散热器片数，力争将齿轮箱的工作温度控制在一个较为理想的范围之内，为齿轮箱的安全可靠运行创造良好的条件。 
    5．不同结构类型齿轮箱运行中的技术状态分析比较 
    我场运行维护的风电机组从齿轮箱结构来分主要有独立齿轮箱结构和齿轮箱、风轮轴一体结构。从润滑方式来分主要有飞溅润滑和压力润滑结构。从风电机组运行维护的角度来看，各自的特点如下： 
    独立齿轮箱结构的优点：机组体积相对较小，齿轮油用量比同功率齿轮箱、风轮轴一体结构的机组低50％左右，齿轮箱重量低30%左右。独立齿轮箱结构刹车过程较为平稳，齿轮箱承受的冲击载荷较小。 
    缺点：因为低速轴的存在，机舱结构相对拥挤，需对低速轴轴承单独进行润滑。 
    齿轮箱、风轮轴一体结构的优点：因将低速轴与齿轮箱合为一体，机舱结构相对宽敞，齿轮油直接对低速轴轴承进行润滑，免去运行人员的维护任务。 
    缺点：体积较大，重量高，结构相对复杂，造价较高。齿轮箱要直接承受来自叶轮的冲击载荷，在刹车过程中齿轮箱也要承受较大的载荷，对齿轮箱自身质量要求较高。 
    飞溅润滑方式，结构简单，箱体内无压力，渗漏现象减少。但是个别润滑点可能会因为油位偏低或冬季低温润滑油粘度增大，飞溅效果减弱而发生润滑不良现象。 
    压力润滑方式，结构相对复杂，润滑管路由于存在压力，关键润滑点都有可靠润滑，且油泵强制循环有利于齿轮油热量均匀和快速传递。但是产生渗漏的概率也随之增大。 
    从我场多年的运行经验来看，两种结构的齿轮箱在同等质量水平下对于风机业主来说主要的区别在于润滑油用量的差别，设备可靠性、日常维护工作量和齿轮箱损坏后的拆卸难度来看，没有太大区别。 
    对于两种不同的润滑方式，主要取决于齿轮箱设计结构的需要。但是，在寒冷地区采用飞溅润滑方式更应当注意润滑油的加热问题，并加强油位监测，对没有润滑油过滤装置的机组还应当根据现场情况考虑加装过滤装置或定期滤油，以提高齿轮箱运行的可靠性。 
    对于在我场运行的国产齿轮箱，经过一段时期的改进和调试，目前运行状况较为稳定，投运最长的机组已运行近三年半，单机累积产量近五百五十万千瓦时，创造了较好的经济效益。但是在运行过程中，发现仍存在一些不尽人意的地方： 
    ⑴部分机组润滑管路设计不合理（如：部分外敷管路距离箱体较远，占用空间较大。）不利于维护，个别接头仍有渗漏现象； 
    ⑵个别机组齿轮箱内部间隙较大，高速轴制动后，主轴因为叶轮惯性仍作左右转动，有时可持续20秒种以上。此过程中润滑系统已停止工作，而部分齿轮表面相互锤击，可能造成齿面损坏； 
    ⑶部分传感器接头采用航空插头，可能会因为插头松动或润滑油污染，导致接触不良； 
    ⑷部分机组箱体表面光洁度不好，不利于清洁。 
    希望上述问题能够为齿轮箱生产厂家提高产品质量提供一些有益地帮助，我们期待着质量更可靠、性能更优异的国产化风电机组齿轮箱早日投入商业运行。