齿轮箱论文

风电机组齿轮箱故障分析（生产部/中广核内蒙古分公司，孙武）摘要：随着人口的增长和全球经济的发展，一次能源消耗量不断增加，致使人类面临着能源利用和环境保护两方面的压力。

风能作为一种蕴藏量丰富的清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

近几十年来,风力发电技术取得了突飞猛进的发展,由于风电产业的飞速发展,促成了风电装备制造业的繁荣,而风电齿轮箱作为风电机组中最重要同时也是故障率非常高的部件之一,倍受国内外风电研究机构的关注。

本文分别从齿轮、轴承、轴的失效形式，齿轮箱润滑和齿轮箱设计、振动等方面分析了齿轮箱的故障形式。

关键词：风电风电机组齿轮箱故障分析失效引言面对当前日益枯竭的一次性能源，面向日益紧迫的能源危机，人类对清洁可再生能源的的渴望和需求日趋强烈。

近几年，世界各国对新能源研发的热度持续高涨，其中风力发电已成为世界公认的技术最成熟、开发成本最低、最具发展前景的可再生能源之一。

大力发展风电产业，开发建设大型风电基地，可大幅度减少我国未来二氧化碳、二氧化硫等氮氧化物的排放量。

2012年 6月，我国并网风电达到5258万千瓦，成为世界第一风电大国,在未来30年内，风力发电机组的装机容量可能超过核电，成为第三大发电电源。

由此可见，风力发电越来越受到国家的重视。

风力发电机组一般都安装在高山、戈壁、山口、海边等风能较大周围无遮挡物的地方，齿轮箱、发电机等部件安装在机组塔架之上狭小的机舱内，距离地面几十米甚至上百米高。

风力发电机组工作环境恶劣，受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响，机组运行时常伴有振动，并且经常受到风沙、盐雾侵蚀，时常还处于湿度大等一些恶劣环境中。

因此其故障率高，其中齿轮箱故障率更是达到风机故障率的15%—20%，齿轮箱一旦出现故障，修复将十分困难，严重影响到了风电场的经济效益，因此齿轮箱在风电机组中所占据的重要位置不容忽视。

本文分别从齿轮、轴承、轴的失效形式，润滑和齿轮箱设计、振动这六方面分析了齿轮箱的故障形式。

1.中国风电机组齿轮箱的发展现状及其重要作用1.1 风电机组齿轮箱的发展现状近十年来，风电机组装机容量呈现逐年递增的趋势，中国风电更是飞快的向前发展，现已超越美国成为全球风电并网容量最大的国家。

目前我国主要有三家公司制造风力发电机组齿轮箱:南京高精齿轮有限公司,重庆齿轮箱有限责任公司,杭州前进齿轮箱集团。

2006年南京高精齿轮有限公司牵手GE开发风电齿轮箱，成功设计并制造出1.5MW风电机组齿轮箱。

2006年6月重庆齿轮箱有限责任公司研制成功国内第一台1.5MW风电机组增速齿轮箱。

2008年5月,由杭齿集团杭州前进风电齿轮箱有限公司研制开发的首台 1.5MW风电机组增速齿轮箱成功通过各种严格测试，交付用户使用。

目前国内外主流的风电机组主要有两种，第一种有增速齿轮箱，通过增速齿轮箱驱动发电机，把叶片驱动的主轴低转速增至发电机发出电能所需要的高转速，此类型机组多采用双馈异步发电机。

第二种没有增速齿轮箱，把叶片驱动的主轴直接与发电机相连接进行发电，此类型机组的发电机采用永磁体发电机。

前一种类型的风电机组技术成熟，兆瓦级风电机组多采用第一种类型，今后很长一段时间仍将是市场的主流机型。

第二种风力发电机组虽然省去了齿轮箱，避免了不少由齿轮箱所引起的故障，但造价高却是其最大缺点。

1.2 齿轮箱的重要作用风电机组的发电原理就是将风的动能由风轮转化为机械能，再将机械能由发电机转化为电能。

齿轮箱的作用是将风轮的低转速增至发电机所需的高转速，如果没有齿轮箱，我们将需要200极磁极发电机。

齿轮箱是传动链中最重要的部件，其设计及制造非常关键，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。

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，虽然各大齿轮箱制造企业对齿轮箱进行了深入研究和性能优化设计，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然故障较多。

齿轮箱一旦发生故障，维修将会非常困难，严重影响到了风电场的经济效益。

2.齿轮箱故障分析由于风电机组经常在恶劣的环境中运行，随着风电机组的运行时间逐渐增加，机组不断出现各种故障，近几年来，齿轮箱更是故障频发，有些由齿轮箱厂家直接进行更换，也有的由齿轮箱专业厂家进行修理。

一些风电场齿轮箱损坏率竟然高达40%—50%，所占风电机组故障比重非常大，对其应该进行深入研究及认真分析。

归纳起来，齿轮箱故障形式主要有以下几方面。

2.1 齿轮失效2.1.1 轮齿折断轮齿折断有多种形式，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断如图一。

此外，在轮齿过载时也可能出现过载折断或剪断。

过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有轴承损坏、突然冲击（阵风情况）、大硬物挤入啮合区等。

在齿轮经过严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷下发生折断如图一。

图一轮齿折断在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作表面上的接触线为一斜线如图二所示，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。

若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。

图二斜齿轮局部折断为了提高轮齿的抗折断能力，可采取下列原则：1)用增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2)增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3)采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4)采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。

2.1.2 齿面磨损根据不同的磨损机理，可将齿轮的磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。

磨粒磨损主要是梨沟和微观切削作用，外部进入轮齿啮合工作面的游离硬颗粒（如在检查齿轮箱时空气中的尘土进入箱体，齿轮磨损造成的金属微粒和更换润滑油品时带入的杂质异物等）或硬的轮廓峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程就是磨粒磨损。

粘着磨损与表面分子作用力和齿轮副摩擦生热密切相关，当轮齿表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，形成粘着磨损。

疲劳磨损是在循环应力作用下轮齿表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果，随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从轮齿表面上脱落下来，致使轮齿上出现许多月牙形浅坑。

而腐蚀磨损则是由环境介质的化学作用和机械作用共同产生。

例如齿轮副受到空气中的酸或润滑油中残存的少量无机酸（如硫酸）及水分的化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失所形成的磨损。

在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。

例如，齿轮疲劳磨损的磨屑在啮合的两齿面间移动，类似于研磨作用，会引起接触齿面的磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的洁净表面又可能增大分子的粘附力，从而引起粘着磨损，同时轮齿材料的分子由于氧化作用或与周围介质发生化学变化，又可导致腐蚀磨损的产生。

齿轮的微动磨损就是一种典型的复合磨损。

在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式（齿面磨损如图三）。

图三齿面磨损2.1.3 齿面点蚀风电机组齿轮箱齿轮传动形式为闭式传动，润滑环境良好，因此齿面点蚀是最常见的轮齿失效形式。

所谓点蚀就是齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象（图四）。

齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。

轮齿在啮合过程中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对滑动速度愈高，愈易在齿面间形成油膜，润滑也就愈好。

当轮齿在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其他部位扩展。

从相对意义上说，也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低）。

提高齿轮材料的硬度，可以增强轮齿抗点蚀的能力。

在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀，延长齿轮的工作寿命。

并且在合理的限度内，润滑油的粘度愈高，上述效果也愈好。

因为当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会浸入裂纹，而且粘度愈低的油，愈易浸入裂纹。

润滑油浸入裂纹后，在轮齿啮合时，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展，这是不利之处。

所以对速度不高的齿轮传动，以用粘度高一些的润滑油来润滑为宜；对速度较高的齿轮传动（如圆周速度>12m/s），要用喷油润滑即强制润滑（同时还起散热的作用），此时只宜用粘度低的润滑油。

风电机组齿轮箱输出轴为高速轴，因此须使用强制润滑方法且宜用粘度稍低的润滑油来润滑轮齿，以减少齿面点蚀现象。

2.1.4 齿面胶合由于轮齿在啮合时，齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑效果差，齿面间的润滑油膜就会被破坏甚至是消失，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对滑动运动，相粘结的部位即被撕破，于是在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，称为胶合，如图五中的轮齿左部所示。

传动时的齿面瞬时温度愈高、相对滑动速度越大的地方，越易发生胶合。

加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油，在润滑油中加入极压添加剂等，均可防止或减轻齿面的胶合。

2.1.5 塑性变形塑性变形属于轮齿永久变形一大类的失效形式，它是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。

塑性变形又分为滚压塑变和锤击塑变。

滚压塑变是由于啮合轮齿的相互滚压与滑动而引起的材料塑性流动所形成的。

由于材料的塑性流动方向和齿面上所受摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处将被碾出沟槽，而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。

这种现象称为滚压塑变（图六）。

锤击塑变则是伴有过大的冲击而产生的塑性变形，它的特征是在齿面上出现沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线相一致。

提高轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。

图六塑性变形2.2轴承失效齿轮箱轴承为滚动轴承，多为圆柱滚子轴承（图七），也有的齿轮箱高速轴上用短圆柱滚子轴承和四点接触球轴承相组合（图八）。

齿轮箱轴承在齿轮箱中是非常重要的部件，一旦轴承失效，齿轮箱其他部件便不能正常运转，不及时处理轴承故障，整个齿轮箱在带病运行的情况下很可能彻底损坏，无法修复。