李维，崔艳东，高煜坤，刘斌斌

（1.中国广核新能源控股有限公司，北京 100036；2.河北龙源风力发电有限公司，河北 承德 068457）

新能源行业得到社会各界的广泛关注。在多种新能源形式中，风电凭借蕴藏量大、分布广泛等优势，被认为是实现碳达峰、碳中和的重要途径之一。2020年是风电抢装年，全国风电新增并网装机7167万kW，截至2020年年底，全国累计装机2.81亿kW，平均弃风率3%，呈良好态势。

变桨齿圈是风电机组的核心部件之一。其功能是调节叶片迎风角度，以确保风机能够捕获最佳动能。在运行过程中，由于变桨齿圈长期在0°齿附近反复啮合，因此会导致0°齿附近的3～5个齿发生不同程度磨损。

本文针对变桨齿圈磨损情况，分析了磨损后果，研究了磨损原因，并有针对性地设计了修复方法。该技术可供广大风场参考。

1 磨损原因分析

变桨齿圈磨损原因主要包括以下几点。

（1）设计不合理。变桨系统的齿轮传动包括驱动齿和变桨齿圈，如图1所示。其中，驱动齿的齿数一般为14～16个，而变桨齿圈的齿数往往超过140个。根据机械设计原理一般认为，当大齿轮的齿数远远高于小齿轮时，在传动过程中，大齿轮的齿啮合次数要远远低于小齿轮，故应将大齿轮设计为软齿面，将小齿轮设计为硬齿面，以保证二者磨损程度尽量相同。然而，在风电机组变桨系统中，绝大多数时间内都是变桨齿圈0°齿附近的3～5个齿参与啮合，极少出现一圈齿参与啮合的情况。在该情况下，变桨齿圈将加速磨损。此外，由于变桨齿圈成本高且更换代价大，而驱动齿更换相对简单且代价小，因此应设计为变桨齿圈更耐磨。

图1 变桨系统

（2）微动啮合频繁。变桨系统运行过程中，驱动齿和变桨齿圈啮合非常频繁。尤其是随着风机功率设计的不断增大，变桨动作频率也逐渐增加。例如，某进口品牌风机，其功率为2.6MW，叶轮每转一圈，变桨系统都要动作一次，以保证风机能获取最佳的风能。

（3）润滑效果差。变桨齿圈为开式齿轮，开式齿轮的润滑效果差一直是难以解决的问题。变桨系统运行一段时间后，黏附在齿表面的润滑脂被逐渐挤压离开啮合齿面，导致齿面磨损加速，如图2所示。尤其是近年来风机运维成本持续下降，甚至存在运维人员缺乏责任心，没有认真涂抹润滑脂，更会加剧变桨齿圈的磨损。

图2 变桨齿圈磨损

2 磨损后果

变桨齿圈出现磨损后，针对磨损量的不同，会导致不同程度的后果。以某国产品牌1.5MW风机为例，分析如下。

2.1 磨损量达到2mm时

根据《GB/T 29717-2013 滚动轴承 风力发电机组偏航、变桨轴承》，变桨齿圈齿面、齿根应进行表面淬火，表面硬度为50HRC～60HRC，有效硬化层深度不得低于2mm。因此，当磨损量大于2mm时，磨损速度将大大加快，而磨损量变大后，修复方法将更加复杂，修复工时更长，修复成本也更高。

2.2 磨损量达到3.4mm时

《GB/T 32077-2015风力发电机组 变桨距系统》指出，风力发电机组在额定载荷下，变桨距系统定位误差不应大于0.75°。若采用统一变桨距控制的变桨距控制系统三个叶片的不同步不应大于1°。计算得到，当磨损量达到3.5mm时，齿圈已经无法保证足变桨定位误差要求。需要指出的是，该磨损量是指单面磨损量，而不是两面磨损量的总和。

2.3 磨损量达到3.6mm时

参考《JBT 5664-2007 重载齿轮 失效判据》可知，任何一种磨损，或数种磨损同时存在，当齿根两侧耗损量之和ΔS（mm）与齿轮法向模数mn（mm）的百分比M（M=ΔS/mn）达到或超过相关指标时，应被判为失效。针对变桨齿圈，当两侧总磨损达到3.6mm时即失效。需要指出的是，一般变桨齿圈的磨损为单面磨损，因此，建议单面磨损量达到3.6mm时即判断为失效，避免出现更严重的问题。

2.4 磨损量达到4mm时

依据机械设计手册，从振动和噪声角度考虑，硬齿面低速齿轮磨损量允许达模数的1/3，变桨轴承齿模数为12mm，其两边共计极限磨损量为4mm左右。即当磨损量达到4mm时，变桨系统传动将出现严重的振动和噪声。

2.5 磨损量达到4.5mm时

根据《ISO 6336-5:2003 Calculation of load capacity of spurand helical gears.Strength and quality of materials》，当齿的两边磨损量达到4.5mm时，会有强度风险，即此时有轮齿折断的风险。如果出现轮齿折断，必须马上停机进行维修，否则，齿轮传动振动剧烈，会导致更多轮齿发生折断。

3 修复方法

传统的解决方案，是将叶片进行吊装下来，随后更换变桨齿圈，再吊装上去进行安装。该解决方案周期长，成本高，发电量损失大。近年来，多个风场尝试采用在线修复，即人员上塔修复，修复工期短，成本低，不影响风场发电。修复过程包括几点。

（1）表面清理。采用清洗剂，对修复表面进行清理，除去表面的油污、异物等杂质。

（2）表面打磨。对表面生锈处及粗糙处进行打磨，直至出现金属光泽，具备焊接条件。

（3）加热去氢。采用热风枪对修复面进行加热，去除表面的水分，避免后续修复出现氢脆等问题。

（4）焊接。采用专用焊条，在磨损面进行堆焊修复。堆焊时，应尽量降低焊接热输入，控制层间温度，避免组织晶粒粗大以及冷裂纹。焊接过程中，应实时去除焊渣，避免出现夹渣等缺陷。

（5）打磨修型。焊接完成后，对修复齿面进行打磨，打磨过程中须使用齿形板进行齿形检测，当齿形满足要求后，停止打磨。

（6）质量检查。用探伤剂检查是否有裂纹等缺陷，用硬度计检测修复后齿面硬度，用齿形板和游标卡尺检测齿形误差，检查没有质量问题后，可以结束修复工作。

4 工程应用

该技术在某国产品牌风机上进行了应用，修复前后效果如图3、4所示。可以看到，修复后，齿形得到恢复，齿面硬度提高，探伤无裂纹等缺陷。目前，该风机已经运行了一年多，运行状况良好，且未再次出现磨损问题。

图3 修复前

图4 修复后

5 结语

变桨齿圈是风电机组核心部件之一。风机运行一段时间后，变桨齿圈容易出现磨损，影响风机运行。本文分析了变桨齿圈磨损的后果及原因，介绍了一种新的修复工艺，可为广大风场提供参考。