欧焕飞

摘 要：风机齿轮箱作为双馈型风机重要部件之一，风电机组运行环境恶劣，工况复杂多变，易造成故障频发，而且故障维修困难，费用高昂。如何有效地监测风机齿轮箱磨损状况，做好日常维护与故障维修工作，就显得十分重要了。这里介绍了运用内窥镜分析和铁谱分析对各种磨损种类的诊断，并对其它方法进行了总结和展望。

关键词：风机齿轮箱；磨损故障；内窥镜分析；铁谱分析；监测

我国现阶段并网发电运营的风力发电机组中，超过一半以上是采用齿轮增速传动双馈型风机。齿轮箱作为风电机组的增速部件，是风机最主要的部件之一。主要作用是将叶片传递到风轮的低转速、高转矩动力，转变为高转速、低转矩的动力，带动发电机发电，并将产生电能的输送到电网。

风电场的风机运行条件一般都十分恶劣，通常伴随有风沙、盐雾、潮湿、严寒、高温、台风、冰雪等严酷环境，强阵风，湍流、切变等复杂多变的风况，随时不规律变化的功率和载荷，加上野外高空工作条件、狭小紧凑的分布空间，都对齿轮箱的设计、材料、加工、安装、运行、润滑等环节，提出了非常高的要求。尽管国际上齿轮箱设计技术已经比较成熟，但统计数据表明，齿轮箱出现故障仍然是风机故障的最主要原因之一，约占风机故障总数的30%左右，一旦出现故障，费用非常昂贵，并且维修时间长，电量损失大。齿轮箱的使用寿命要达到设计寿命20年，这对风电场运维带来了极大的挑战。

1 风力发电机组齿轮箱故障表现

齿轮箱主要故障有齿轮断齿、塑性形变、碎裂、摩擦表面严重磨损等，分为渐进式和非渐进式故障。引起故障的原因：材料和装配加工不好、润滑不良引起设备磨损异常、长期高负荷和瞬时超负荷加剧设备磨损和冲击引起，并不断地渐进恶化的结果。因此，作为风力发电机组的作业人员，有必要了解风电机组齿轮箱的基本运行状况，掌握齿轮箱故障的类型和变化规律，将对以后风电场运行维护、延长使用寿命产生显著的作用。

2 风力发电机组齿轮箱故障分析监測手段

风电行业近十年来保持高速发展，风机齿轮箱的故障诊断与预警一直以来都是国内专家研究的重点。目前风电齿轮箱磨损状态的监测方法主要有内窥镜分析、铁谱分析、振动分析、温度监测和噪声监测等，常用是内窥镜分析和铁谱分析，是比较直观可靠的分析方法。工业内窥镜分析，是能对机械内部弯曲及管道深处探查，能观察不能直视到的部位，能在密封空腔内观察内部空间结构与状态，能实现远距离观察与操作，可在不需拆卸或破坏组装及设备停止运行的情况下实现无损检测检查设备内部，广泛应用于各行业，将观测齿轮和轴承各个位置的磨损情况，并将图像保存。铁谱分析的基本原理就是利用高梯度的强磁场，将在用齿轮箱润滑油中所含的机械磨损磨粒分离出来，并按其磨粒大小有序的分离出来，借助铁谱显微镜观察，对磨屑的形状大小、成分、数量和粒度分布等进行定性与定量的观察，判断设备磨损状况。工业内窥镜和铁谱分析都是设备磨损原因溯源分析以及故障诊断重要的检测手段。并且是不需拆卸、费用低廉，安全容易操作，铁谱分析适合于离线检测，一般设在专业油品实验室，用于普遍性检查。内窥镜分析适合在现场检查，可在铁谱分析后，被铁谱分析磨损异常的齿轮箱，加以重点检查，提高工作效率。两种方法互相配合，既解决了铁谱分析难以显示具体部位的问题，也解决了用内窥镜工作效率低的问题。

3 风力发电机组齿轮箱的磨损类型

齿轮箱的磨损类型主要有：（1）正常磨损、（2）粘着磨损、（3）疲劳磨损、（4）磨料磨损、（5）腐蚀磨损。其中，后四种都是常见磨损故障失效类型。

A.正常磨损是运行中的两摩擦副表面在正常滑动磨损机理下所产生的磨损称为正常磨损。其特点是摩擦表面光滑、光亮，磨损磨粒呈薄片状，表面光滑，而且尺寸小、数量小等特点。

B.粘着磨损是摩擦副因负荷或速度过高而使应力变得过大时，润滑油膜会发生破裂，因而固相焊合、胶合在一起，表面的材料由一个表面转移到另一个表面的现象。金属表面粗糙不平；剥落的磨损磨粒表面轮廓不规则，有时呈现出不同的回火色。

C.疲劳磨损是两接触表面作滑动或滚动与滑动复合摩擦时，在周期性载荷作用和应力作用下，表面金属材料塑性变形，产生微小裂纹，裂纹扩展导致表面金属脱落产生凹坑，摩擦副表面产生点蚀或微点蚀现象；剥落的磨损磨粒表面有麻点的，具有光滑的较溥的表面和随机曲折的轮廓。

D.磨粒磨损是摩擦副之间夹带坚硬磨粒，或是由于较硬的零部件金属表面有突出物或是零部件出现裂纹，互相摩擦时引起零件表面材料损失的现象，摩擦副表面有清晰划痕，产生的磨粒尺寸一般较小较长，且多呈螺旋状、圆圈形、曲线形。

E.腐蚀磨损是金属表面在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应，使磨擦副表面材料磨损的现象即腐蚀磨损。由化学浸蚀造成的齿面剥蚀，一般迹象是齿面布满微型凹痕和晶界被氧化。

4 结语

为保障风电机组可靠运行，需要定期连续对风机齿轮箱开展磨损监测，分析历史磨损趋势，研判当前及未来设备磨损状态，对于监测到异常情况的，及时预警或报警，并增加频次监测，为风电场运维提供故障信息，科学地作出整改措施和技改方案。监测的手段不局限于内窥镜分析和铁谱分析，还可以结合振动、噪声、温度、磁塞检查等手段，互相配合综合分析，诊断当前设备磨损状态，预测未来设备磨损状况。不断完善多种监测手段的能力，运用智能手段提取核心的特征数据，提高故障诊断水平和预测技术，最大限度地延长了机组使用寿命，降低运维成本，提高企业效益。

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