李世栋，邓宏纲，尹维召

（中节能风力发电（河南）有限公司，河南 郑州 450001）

根据国家“碳达峰、碳中和”战略目标要求，到2030年太阳能发电和风力发电的总装机容量要达到12亿千瓦以上，而截至2021年底，太阳能发电与风力发电的总装机容量才6亿多千瓦，其中风力发电总装机容量3亿多千瓦。所以未来数年内，风电的装机容量还会快速增长。并且随着国家财政退出了对风电的补贴，风电企业的盈利能力急剧降低，而通过提高风机可靠性、提高故障一次维修成功率和降低维护时间来降低检修维护成本和提升发电量，是风电场“降本增效”的最有效手段。目前风力发电机主要有“双馈”和“直驱”两种类型，由于技术成熟、同容量成本低等优点，“双馈”机型的市场占有率在85%以上。“双馈”和“直驱”机型在结构上最大的区别是“双馈”机型有齿轮箱。虽然齿轮箱的技术相对成熟，但风机所在的地区环境通常较为恶劣，机组启停频繁、晃动严重，众多的因素导致齿轮箱的故障率居高不下。齿轮箱的重量在20t左右，价值100万以上，且处在几十甚至上百米的高空，其一旦出现故障，维修时间长，成本高，带来较多的发电量损失和营业成本增加。本文根据多年风电运维经验，对风机齿轮箱齿轮、箱体和轴承三大主要部件的失效形式进行总结，失效原因进行分析，并提出了一些预防和预警措施，以期提高齿轮箱运行的稳定性，提高检维修效率，提升风电场效益。

1 齿轮的失效形式及预防

齿轮箱内部有数量众多的齿轮，齿轮的故障率占整个齿轮箱故障的比例在60%左右，齿轮的失效形式主要集中在齿上，包括齿面腐蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿轮断齿等。

1.1 齿面腐蚀

齿面腐蚀主要有锈蚀（如图1）和电腐蚀（如图2）两种形式。化学性锈蚀常见的是齿面生锈，这主要是因为润滑油水含量超标或齿轮箱内部空气湿度长期较高，此情况多出现在夏季雨水较充沛的地区。预防措施有：根据齿轮箱空气滤清器的颜色变化，及时更换即将失效的滤芯；定期对油品进行抽样检测，确保水分含量合格等。电腐蚀是齿轮在运转过程中长期有意外的电流通过，由于齿面咬合处接触面积小，电流经过此处时会因电火花而产生高温，齿面的力学性能降低而形成腐蚀。电腐蚀会在齿面形成均匀的“搓衣板”状损伤，由于损伤均匀且前期腐蚀较轻，所以前期的电腐蚀不易被发现。预防电腐蚀的措施是做好接地，定期检查齿轮箱是否有电流流过。另外可以通过温度监测、振动监测、油品金属成分检测和内窥镜检查等，发现早期的电腐蚀，将损伤消除在萌芽状态。

图1 齿面生锈

图2 齿面电腐蚀

1.2 齿面磨损

齿面磨损根据不同的原因及严重程度可以分为：微点蚀、宏观点蚀、齿面剥落和微动磨损等。微点蚀（如图3）又叫作灰斑现象，它是齿轮在长期啮合过程中，齿面出现的一种呈发灰状态的损坏现象。该磨损的形成原因比较复杂，一般认为是齿轮在加工过程中由于加工精度的问题，齿面总是存在一些微小的“凸凹”，导致油膜不足以100%覆盖整个齿轮表面，或者覆盖的厚度不足，这些凸起的部位在轮齿啮合过程中受到摩擦和剪切应力的作用，发生疲劳、局部过热而导致微点蚀。微点蚀发生后，如齿面所承受载荷及使用环境不是十分恶劣，同时及时改善齿面润滑状况，大部分将不再继续发展。宏观点蚀是齿轮接触表面因疲劳而出现剥落，形成点状的小坑。宏观点蚀形成的原因主要是：齿轮啮合过程中不仅有相对滚动还有相对滑动，由于材料存在缺陷或齿轮受到冲击力出现短时载荷过大等原因，造成齿面相对滑动产生的剪切应力会短时超过材料的疲劳极限，齿面就会产生疲劳裂纹，随着运行时间的延长，裂纹不断扩展，最终会在裂纹边界处局部产生金属粒状剥落，形成小坑，即产生宏观点蚀。如疲劳裂纹继续扩展，最终表面就会出现块状剥落。微动磨损（如图4）是在相互压紧的金属表面间产生的一种复合型式的磨损，也叫“黑线”。其产生的原因是齿轮箱长时间停止运行，润滑油液面以上的齿面得不到任何润滑，小幅振动带来齿轮间不断往复啮合，出现交变接触应力，就会在齿轮咬合的齿面上出现一条黑线。随着时间的延长，微动磨损处将会由于高温缺油而逐渐出现点蚀甚至裂纹，进而出现轮齿折断。保证加工工艺的稳定、选择合适型号的润滑油以及避免较高的冲击载荷传递到齿轮箱是预防齿面磨损的最有效方法。

图3 齿面微点蚀

图4 齿面微动磨损

1.3 齿面胶合

齿面胶合是相啮合的两齿面，因油膜在压力的作用下破裂而发生直接接触，进而出现粘着、撕裂的现象，根据产生机理不同，可分为热胶合和冷胶合两种。热胶合是齿轮啮合处出现高速重载，产生的摩擦热使油膜破裂，咬合齿面金属直接接触并因高温而出现局部黏结，齿轮啮合时齿面相对滑动，齿面沿滑动方向被撕落就发生胶合。冷胶合是齿轮啮合处低速重载，滑动速度低，不易形成油膜，局部压力增高，使两接触表面油膜被刺破而产生的粘着撕裂。因此匹配合适的润滑油型号、采用主被动润滑相结合的润滑方式以及保持良好的散热是避免齿面胶合损伤发生的最有效手段。

1.4 齿轮断齿

齿轮断齿包括疲劳断齿（如图5）和过载断齿（如图6）两种情况。疲劳是工程中最常见的零件失效形式之一，它是交变载荷超出材料疲劳极限而产生的失效。疲劳断口可分为三个区域：疲劳纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。其发展过程大致可分为：齿根受弯曲应力→初始疲劳裂纹→裂纹不断扩展→轮齿断裂。过载断齿是齿面载荷超过了最大承受载荷，其断口宏观特征与材料的拉伸断口一样，有明显的颈缩现象。过载断齿发展过程大致可分为：短时过载冲击造成局部齿断裂→齿宽较小的齿轮局部断裂→斜齿轮或齿宽较大的直齿轮断裂。应对断齿的最好办法是从材料和加工工艺入手，保证齿轮的疲劳极限和抗拉极限满足使用工况要求，其次是尽量避免冲击和过载等极端受力情况的出现。

图5 齿面疲劳断齿

图6 齿面过载断齿

2 箱体的失效形式及预防

齿轮箱箱体大部分都承受的是静载荷，相对比较稳定，只有与轴承连接的轴承孔有时会因为轴承外圈“跑圈”或轴向串动而出现磨损。

主要应对措施有：（1）保证加工精度，使轴承与孔的配合达到工艺要求。（2）对轴承进行温度监测，以防因内外温差长期过大，热胀冷缩不均匀，导致配合间隙发生变化而磨损。（3）增加止动销。当轴承孔出现轻微磨损时可以通过涂抹金属修补胶、冷焊或激光熔覆焊等特种加工进行修复。

3 轴承的失效形式及预防

每一个转动部件都要有轴承支撑，据统计，轴承的故障率占整个齿轮箱的故障比例在20%左右，轴承的失效主要有腐蚀、磨损和断裂等几种形式。

3.1 轴承腐蚀

轴承腐蚀主要分为锈蚀和电腐蚀。轴承锈蚀和电腐蚀产生的机理及预防措施与齿轮锈蚀和电腐蚀相同，在此不在复述。

3.2 轴承磨损

轴承的磨损主要有磨粒磨损（如图7）、粘着磨损（如图8）和微动磨损三种情况。磨粒磨损的主要原因是部件加工表面光洁度不符合要求，装配运输过程中有杂质意外进入，润滑不良等因素而引起运动表面有硬质颗粒，进而造成表面磨损，这种磨损发生后如不能被及时发现，磨损速度将越来越快。磨粒磨损的主要预防措施是保证装配过程的清洁度、预防杂质侵入，另外需要定期配合油脂的理化检测，及时发现初期的磨损，预防进一步恶化。除了专业的油品检测实验室，我们也可以采用将油脂均匀涂抹在白纸上，在光线较暗的环境下，用强光灯照射，根据反光情况大致判定油脂内的磨粒数量。粘着磨损是因为过速或润滑不良导致运动表面温度过高，材料的强度下降而转移，温度下降后再硬化而引起应力集中，进而出现裂纹或脱落。预防粘着磨损的关键是避免高温，做好润滑和散热是最有效的预防方式。微动磨损是两个受力面来回运动而造成的表面损坏，主要预防措施是，风机长时间停机时不能锁定轮毂，要让其在顺桨状态下自由转动，避免在某一处来回微动。

图7 轴承磨粒磨损

图8 轴承粘着磨损

3.3 轴承断裂

轴承断裂通常有过载断裂、疲劳断裂和热胀裂。轴承过载断裂和疲劳断裂产生的原因与齿轮断齿的原因相同，都是超过了疲劳极限和抗拉极限，主要预防措施也一样。热胀裂产生的原因是轴承内部因过转速、润滑不足或表面磨损等因素而导致内部温度高，外部温度较低，内外温差大，轴承内外热胀不均匀，配合间隙减小直至卡死胀裂。此种失效多发生在冬季环境温度较低时。预防措施是，冬季降低发电机冷却风扇启动频率，适当提神启动温度，较小轴承内外温度差。

4 结语

风机齿轮箱的主要故障发生在齿轮和轴承这两大关键部件上，齿轮的主要失效形式有齿面腐蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿轮断齿等，轴承的主要失效形式有电腐蚀、磨粒磨损、疲劳断裂和热胀断裂等。为减少齿轮箱的故障率，我们应以预防为主，在设计、选材、加工安装和转运的过程中要严格按照各项标准和规范执行，工艺水平的控制对产品的质量起至关重要的作用。另外要通过温度监测、振动监测和油品理化检测等技术手段，及时发现初期的微小损伤，采用激光熔覆焊和金属修补剂等先进技术手段进行修复，消除缺陷，预防重大故障发生，降低风电场运行成本和电量损失，提升经济效益。