风电齿轮箱可靠性分析与研究
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摘要：在我国风电机组一般安装在高山、荒原、海岛等风口处，容易受到沙尘、低温、台风、冰雪、盐分等恶劣气候环境的影响。由于风电机组经常受无规律的、变向的、变负荷的风力作用，会导致叶片表面损伤乃至脆断。齿轮箱密封系统功能退化、低温停机较长时间后变速箱内油温低、黏稠度大等都会降低液压系统寿命。传动链特别是齿轮箱系统中由关键零部件失效引发故障而导致停机的时间占机组总停机时间的比例居高不下是影响系统性能和可靠性服役的关键性问题。
关键词：风电齿轮箱；失效；可靠性分析
1.风电齿轮箱主要失效形式
根据失效部位进行分类，风电齿轮箱的故障主要有 箱体故障、行星架故障、轴故障、齿轮故障、轴承故障及润 滑冷却系统故障等。
突发性的阵风或者电网故障导致的突发载荷 、 发生故障时的紧急制动等 ，都会产生较大载荷，有时甚至超过额定载荷数倍，引起齿轮的过载折断。齿轮损伤主要包括轮齿折断（断 齿）、齿面疲劳（点蚀）、齿面胶合、齿面磨损等。从应用初期的微点蚀，到逐步扩展的大面积点蚀、剥落或磨损。断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。由于齿面在交变载荷下承受过大的接触剪应力、过多的应力循环次数，因此齿面容易发生胶合、点蚀、齿面剥落、表面压碎等 损伤。另外轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等也会引起轮齿的冲击折断.比较典型的是行星轮系， 行星轮在运转过程中总是双向受力，受齿轮精度、强度的影响，容易出现疲劳断齿现象。行星架损坏部位容易出现在行星孔等强度较弱的部位以及与行星轮或行星架轴承相近的部位。
1.1轴承
轴承是齿轮箱中另一个重要故障源。由于安装、、污染和工作环境等因素，轴承出现了磨损超负载、过热、腐蚀、导电、疲劳等现象，使轴承产生点蚀、裂纹、表面剥落等问题而失效，从而使齿轮箱发生损坏在低速输入端，低速重载情况比较典型，良好的条件难以形成，这是造成主轴轴承损坏的重要原因。高速端的轴承，因为发电机轴和齿轮箱高速轴连接中通常存在角度偏差和径向偏移，它们随输出功率的变化而变化；这会产生一定频率的轴向和径向的扰动力，从而引起轴承温升而使轴承损坏。当轴出现故障时应立即停止运转齿轮箱，并对损坏的轴和其他损坏件进行维修或更换。
1.2箱体故障
箱体主要有箱体断裂，止口变形或断裂，轴承座磨损 等故障形式，。箱体损坏部位大多出现在箱体。与齿圈连接处，损坏严重时伴随着连接箱体与齿圈的螺栓发生剪断。箱体损坏也容易出现在箱体上轴承座处，当旋转轴的轴向定位失效时，旋转轴可能对轴承座造成磨 损。箱体出现损坏时，应立即停止运转齿轮箱，并对箱体和其他损坏件进行更换或维修。当箱体损坏面积较小或损坏程度较轻时，可以对箱体进行适当的修复，如修磨、校正或镶件等。当箱体损坏较严重时，可以更换新箱体。
1.3冷却系统故障
系统主要有油泵故障、加热器故障、冷却器故 障、滤芯堵塞、管路堵塞或渗漏等故障形式齿 轮箱的渗漏油情况主要发生在箱体与齿圈结合面、端盖与箱体结合面、低速轴和高速轴轴颈处 、冷却系统管接头处等。漏油问题大多可归结为原有结构缺陷在恶劣工作环境 影响下的结果。齿轮箱的接口端和管接头处由于存在密封结构的设计不合理或者密封质量问题 （包括低温和振动载荷情况下的油封老化等），均有可能发生漏油，同时漏油处也容易造成外部灰尘进入箱体而污染油 。传动链及齿轮箱中各类由不充分导致的问题出现得也较多。不充分非常容易导致传动副的关键接触区的干磨，这是齿面、主轴、轴承等磨损的 根源之一。另外，长期运转之后在接触部位出现了磨损，油质会包含杂质污染，引起过热等故障。
1.4结构与装配问题
装配工艺及技术质量（尽管部分最终体现为零件的加工质量及材料技术性能问题）是导致零部 件失效和系统故障的直接技术根源。主传动链在结构性能上具有明显的刚柔耦合特点，在恶劣载荷条件下，装配误差（及结构变形）与长期服役过程中零件的磨损等具有双向加剧的作用，最终会导致关键传动零部件发生疲劳失效。大型风电传动齿轮箱区别于普通齿轮箱的最大特 点就在于所承受载荷的无规律性风速多为3～25m/s当前主流的1.5～3.0MW 齿 轮 箱 的 最 大功率幅值可能达到名义功率值的 3～4 倍（反 转可以达到2倍左右）。这对风电传动系统中刚度较低的空心低速中间轴、行星轮系等零部件的影响相当显著，因为主流3MW 齿轮箱 的长和宽通常在3m以上，总质量在20t以上 ，输入力矩在2MN・ m 左右，在这个尺度 上 ，材料加工问题、输送和组装过程中的损坏、转子的不对称导致产生弯曲现象，而接部 件的轴偏心、轴承和支撑部件的组装有误等各类技术原因导致的零部件制造、装配误差的绝 对值相对较大。风电齿轮箱中传动系的装配偏心误差 、齿距误差及平行度误差等，在复杂载 荷（特别是在超过设计负荷下工作时导致扭矩过大）下会进一步恶化传动件的配合接触状态，扩大轮系结构的偏心误差等，从而诱发振动问题，进而导致应力集中加剧及结构失效等现象的 出 现。主传动链在结构性能上具有明显的刚柔耦合特点，在恶劣载荷条件下 ，装配误差（及结构变形）与长期服役过程中零件的磨损等具有双向加剧的作用，最终会导致关键传动零部件 发生疲劳失效 。
参考文献：
[1]杨军，秦大同，陈会涛，周志刚.风力发电机传动系统随机风速下的载荷特性研究[J].中国机械工程，2011（15）.
[2]李国云，秦大同.风力发电机齿轮箱加速疲劳试验技术分析[J].重庆大学学报，2009（11）.
作者简介：徐莘博（1994―），男，江西丰城人，工作单位：大连理工大学，职务：本科学生，研究方向：微机电系统。