风电齿轮箱结构故障分析

• 随着风电行业的发展，更多更大功率的机 组投入商业化运营，因而其维修费用更高。
虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德 国的Renk公司，Flender公司，JA/KE公 司，Eickhoof公司以及一些中小企业在这 方面都作了研究，并且有的企业也付出了
很大的代价，但目前世界风电行业所用增
速齿轮箱仍然事故较多。因此，采用先进
– 压力控制器⑦的压力监测范围为0.5-6bar，不在 此范围内时报警（油温70℃时压力要求≥0.5bar， 油温低于10℃时压力要求≤6bar），若压力＜ 0.5bar时，报警持续超过5秒则停机。
– 液位下降至设定值时液位开关⑨发出报警信号。
– 油温⑩温度不允许超过70℃，否则齿轮箱停机。
– 高速轴轴承温度⑾不允许超过80℃，否则齿轮箱 停机。
齿轮的故障特征预估障间的关系
四、风电齿轮箱的使用、维护和检查
• 以1500KW齿轮箱为例说明： 1 、运行前的检查： • 1.1安装完后，所有多余材料、工具、安装用的工
装设备都应拿走。 • 1.2连接螺栓是否拧紧。 • 1.3齿轮箱壳体的连接螺栓是否拧紧。 • 1.4手动盘车有无阻滞现象。 • 1.5油量是否达到油标刻度。从减速箱的通气帽处
3.3.2滤芯的更换过程：
• 更换滤芯时必须确认供油装置处于停机状 态，滤油器必须卸压（压力表显示0bar状 态）。可以通过拧松滤筒底部的排油螺塞 卸压（工作时必须拧紧）。
• 更换滤芯步骤： • 旋下滤筒，取出旧滤芯。 • 清洗滤筒，把新滤芯装上，旋上滤筒。 • 旋紧滤筒，再回松1/4圈。
• 更换滤芯后，重新启动工作，注意观察压 力表工作压力。
技术，分析其它企业失败的原因，总结和
吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，
研制高技术性能，高可靠性和良好的可维
修性的增速齿轮箱是兆瓦级风力发电机组 的关键技术保障。
一、风电齿轮箱的传动结构类型与工作原理
6 4 .5
600KW齿轮箱1
600KW齿轮箱2
800KW齿轮箱1
800KW齿轮箱2
1000KW齿轮箱
10927
9310
13279
11466
16317
13818
19698
12.9 级 34.3 68.6 119.6 189.1 289.1 401.8 568.4 774.2 980 1460 1970 3440 5508 8330 10682 13328 16219 19894 24010
4.2 腐蚀状况和泄漏情况检查
理或加工缺陷
图示为齿轮主要故障形式及其原因
不能运转
1．齿 轮 轮 齿 2．齿 轮 轮 体 3．轴、联轴节、键
1．断 齿 2．严重胶合 3．杂物进入 1．齿圈断裂 2．变形损坏 1．损 伤
来自百度文库
4．轴 承
5．齿 轮 箱 6．动 力 源 7．其 它
1．烧 伤 2．滚柱脱落 3．杂物进入 严重损伤、变形 故障不能运转 轴承、联轴节损坏
– 机组未启动时若油温⑩低于10℃时，电加热器 ②启动，电动泵③每隔30分钟启动工作5分钟。 油温⑩高于15℃，电加热器②停止加热，电动 泵③工作，机组启动。
– 机组启动温度必须在油温⑩高于10℃。
– 电动泵③出口压力10bar，安全阀设定压力 16bar，出口油压过高（超过16bar）时，安全 阀打开。
表（一） 螺栓的拧紧力矩
螺栓
用扭力扳手的力矩 N.m
大小
8.8 级
10.9 级
M8
21
30.4
M10
42.1
60.8
M12
73.5
104.9
M14
114.7
166.6
M16
176.4
254.8
M18
250.8
356.7
M20
357.7
509.6
M22
480.2
676.2
M24
617
872.2
M27
z 6 1Xm4
1500KW齿轮箱
齿轮箱工作原理（以600KW齿轮箱为例）
• 齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星— 平行轴混合传动的紧凑结构；低速级转速低，扭 矩大，采用行星传动，且主要以太阳轮浮动均载 为主。第二级、第三级扭矩小得多，采用斜齿传 动，能有效的保证叶尖高压油通道。其具体原理 为：首先，通过风带动叶片转动，叶片把转速传 到输入轴（1）上。通过输入轴（1）上的花键把 力矩传到行星架（2）上，行星架通过内齿圈（3） 行星轮（4）和太阳轮（5）组成的行星传动传到 太阳轮（5）上，太阳轮（5）通过另一端的花键 把力矩传到大齿轮（6）上，大齿轮（6）通过齿 轮传动把力矩传到齿轮轴（7）上，齿轮轴（7） 通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴（8）上。输 出轴（8）通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发 电机上，供发电机发电。
二、齿轮、轴承润滑机理
• 齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接 触，这中间是靠润滑油建成油膜，使其形成非接 触式的滚动和滑动，这时油起到了润滑的作用。 虽然它们是非接触的滚动和滑动，但由于加工精 度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩 擦，这都会产生一定的热量。如果这些热量在它 们转动的过程中没有消除，势必会越集越多，最 后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在 转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑 油一方面起润滑作用，另一方面起冷却作用。
– 过滤器⑤最高工作压力16bar，安全阀设定压 力14bar，当过滤器⑤进口与出口压力差值超 过3.5bar时（在油温⑩超过40℃时才测定，信 号采集至少90分钟），传感器发出信号且红灯 亮（绿灯表示工作正常）。
– 风冷器⑥工作压力25bar，最大允许流量 140L/min，风冷器⑥的风扇电机在油温＞60℃或 高速轴轴承温度⑾＞75℃时打开，油温回落至 50℃且高速轴轴承温度⑾＜70℃时，风冷器⑥的 风扇电机停止运转。
齿轮轮齿 损伤原因
1. 疲 劳
1. 局部断齿
2. 过 载
3. 冲 击
1. 过 载
2. 磨 损
2. 润滑剂不洁
1. 齿面硬度低
3. 点 蚀
2. 过 载
3. 载荷不均
4. 胶 合
1. 供油不良 2. 齿轮精度低 3. 温度过高 4. 齿面硬度低
1. 疲 劳
5. 齿根疲劳裂纹
2. 过 载
3. 齿根圆角处热处
3.2安装要求
• 供油装置应安装在齿轮箱附近，泵吸油管 越短越好，其长度以不大于1米为宜。
• 为保证冷却效果，油/风冷却装置应安装在 通风处。
• 中间连接管路按相关的液压、润滑安装规 范进行安装，保证各连接处不泄漏。
• 供油装置投入运行前，必须确认齿轮箱内 部清洁度达到ISO4406 17/15/12级，润滑 油清洁度等级达到ISO4406 17/15/12级。
4、齿轮箱维护
4.1 检查螺栓和螺母是否紧固 • 所有在表（一）中列出的螺栓联接必须检查是否紧
固。在表（一）中包括这些螺栓的相关数据，例如 扭矩和扳手尺寸。 • 并不是所有的螺栓都需要一一检查，要检查的数目 在表中也有指出。 • 如果在齿轮箱中重复出现相同规格的螺栓，那么在 表中只列出一次。 • 检查螺栓联接必须使用经过校正的扭力扳手和液压 扳手。 • 如果被检查的螺栓数目少于实际数目，那么在这些 检查过的螺栓上必须作标记，下次检查其它的螺栓。 • 如果在检查的螺栓中有一个因松动而达不到指定扭 矩，那么所有的螺栓都必须检查。
– 在总计运行10小时后，检查机座螺栓和各连接 部位螺栓，必要时予以紧固，检查所有可能的 泄漏点；检查油位，必要时补充润滑油。
3、润滑系统使用要求
• 润滑油牌号：Mobil SHC XMP 320 • 润滑系统由供油装置、过滤系统、油/风冷
却装置及中间连接管路组成。
• 控制原理图如图：
3.1控制要求：
风电齿轮箱结构类型与工作原理 及其维护、使用和故障分析
概述
• 风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、风叶 控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组 成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到 动力传输的作用，使叶片的转速通过增速 齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定 转速，以供发电机能正常发电。因此增速 齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发 电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制， 要求体积小，重量轻，性能优良，运行可 靠，故障率低。
平行级齿轮的润滑
三、风电齿轮箱的损坏类型及其判断
损坏部件 齿轮
轴承 轴 箱体 紧固件 油封
故障比例（%） 损坏表现形式
60
断齿、点蚀、胶合、磨损、疲
劳裂纹、其他
19
烧伤、滚珠脱出、保持架变形
10
断裂、磨损
7
变形、裂开
3
断裂
1
磨损
• 上表中列举了齿轮箱中各类零件损坏的百 分比。由表可见，在齿轮箱中齿轮本身的 故障所占比重大，为60%。说明在齿轮传 动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其 运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加 工中是一种高度复杂的成形零件，而在高 速、重载下运行的齿轮，其工作条件又相 对比其他零部件恶劣。
• 对于风电齿轮箱，对于所有的齿轮和轴承 我们都要采用强制润滑。原因有：
• 1、强制润滑可以进行监控，而飞溅润滑是 监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。
• 2、现在风电齿轮箱功率越来越大，其功率 损耗也越来越大，因此飞溅润滑已经满足 不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。
• 下为润滑实例：（以1500KW齿轮箱为例）
902
1284
M30
1215
1735
M36
2127
3018
M42
3391
4831
M48
5145
7321
M52
6615
9408
M56
8232
11760
M60
9996
14308
M64
12348
17542
M68
14896
21168
12.9 级 36.3 74.5 128.4 203.8 310.7 431.2 617.4 833 1058 1568 2127 3695 5929 8918 11466 14308 17444 21364 25872
3.3.3旁路过滤
• 当齿轮箱长时间运行后，箱体内部润滑油 会逐渐污染，底部沉淀颗粒状污染物。为 提高润滑系统清洁度，延长过滤器使用寿 命，可对齿轮箱进行旁路冲洗过滤。旁路 过滤装置由用户自备，箱体上预留有安装 接口。
3.3.4低温启动
• 冬季低温状态时机组启动必须考虑油液的 加热。当油温低于-10℃时可通过电加热器 将油温升到10℃以上；当油温低于-10℃至30℃时由于润滑油粘度太大，则应采用专 用的低温旁路加热系统加热油液。低温旁 路加热系统由用户自备，箱体上预留有安 装接口,该接口与旁路过滤装置接口共用。
用传统冲击扳手的力矩 N.m
8.8 级
10.9 级
19.6
27.9
39.6
55.9
67.6
97
107.8
154.8
166.6
235.2
233.2
331.2
333.2
470.4
441
637
568
813.4
843
1196
1137
1617
1970
2813
3146
4488
4782
6811
6174
8771
7644
• 检查所有部件的腐蚀状况。如果发现外表 面有腐蚀，必须立刻按照覆盖层说明书对 该部件进行处理。
• 检查所有部件，特别是齿轮箱、液压系统、 刹车和油液泄漏。必须排除泄漏并找出到 泄漏原因。必须更换损坏部件并清理被污 染的区域。
4.3 运行的异常噪音检查
• 必须检查运行部件的异常噪音，要特别注 意主轴轴承、刹车装置在运行中的噪音。
4.4 齿轮箱
• 在维护齿轮箱之前，必须使风机安全停机， 并确保不会因为误操作而启动（确保刹车 可靠和风轮锁紧）。
4.4.1 检查齿轮箱是否有异常噪音 • 运行时是否有异常的噪音。 4.4.2 检查油位 • 从油标检查齿轮箱的油位。 4.4.3 检查齿轮箱是否有泄漏
3.3使用与维护
3.3.1首次启动时应注意油泵电机转向是否正 确。
• 过滤系统入口处设有测压点，可用测压表 （用户自备）检测泵的出口压力。
• 过滤系统上装有滤油器污染发讯器，当滤 油器进出油口压差达到3.5bar时，污染法 讯器发出电讯号，同时污染发讯器上也有 灯光显示，此时应及时更换滤芯。如果更 换滤芯不及时，滤油器进口压力达到14bar 时，滤油器旁通阀将会开启，此时滤油器 将失去过滤作用，齿轮箱必须停止运转！
加入规定的清洁润滑油，注油时用不少于80目的 滤网过滤，以防杂物进入箱内。滑油用量约260L。
2 、试运转
• 齿轮箱出厂前已进行过空载试验，建议用户在齿 轮箱首次运行前10小时内注意下列事项：
– 检查齿轮、轴承供油是否正常，吸油是否畅通。
– 在运转过程中，每30分钟记录一次油温及轴承 部位温度。
– 注意齿轮箱有无异常声响，检查箱体各接合面 和各可能的泄漏点是否渗油，并及时采取措施， 排除故障。