王圓 劉靜 梁培沛
【龍源（北京）風電工程技術有限公司】
摘 要：通過油液監測技術和工業內窺鏡檢查相結合的方式，對風電機組齒輪箱典型磨損案例進行分析。對設備進行主動維護，避免設備主要摩擦部件因潤滑不良造成異常磨損，延長齒輪箱零部件的使用壽命。
關鍵詞：風電機組；齒輪箱；磨損
0 引言
風電機組齒輪箱作為傳動機構，對風力發電起著極其重要的作用。通過油液監測技術可以監控風電機組齒輪箱的潤滑狀態和磨損狀態，之后通過內窺鏡檢查驗證該齒輪箱的磨損程度。
油液監測技術通過對風電機組設備摩擦副的潤滑狀態和磨損狀態進行定期跟蹤監控，可以有效地評判在用潤滑油的性能狀況和預防設備磨損故障隱患[1]。工業內窺鏡檢查是預警式維護，對維修時間的推斷是非常有效的，將其和油液監測相結合更直觀了解設備內部磨損情況，為設備維修提供決策支持。
1 風電機組齒輪箱結構及工作原理
1.1 結構組成
一般的雙饋型風電機組齒輪箱采用一級行星二級平行結構，主體結構包括法蘭，中箱體，后箱體和輸出齒輪；變速機構包括第 1～4 級齒輪、行星輪和太陽輪。
1.2 工作原理
風輪葉片在風的作用下帶動主軸轉動，扭轉的主軸（低速軸）傳遞風輪扭矩到齒輪箱的一級行星齒輪，一級行星齒輪通過二級平行軸齒輪傳遞扭轉，使低轉速大扭矩載荷轉化為高轉速低扭矩載荷，便于發電機的吸收；Z后電機軸（高速軸）上的扭矩通過切割電磁形成電能，完成風能→機械能→電能的轉化[2]。
2 油液監測診斷標準
風電機組齒輪箱起增速作用，運行時載荷多變，易發生故障，通過油液監測技術監控機組齒輪箱磨損狀態；油液監測分析診斷結論一般分為3 個等級，分別為正常、注意和報警。
（1）“正常”是指在用潤滑油各項指標均在標準規定的正常值范圍內，可以滿足設備潤滑要求，且設備潤滑、磨損狀態均良好。
（2）“注意”是指在用潤滑油一項或多項指標超出正常值范圍、油品不能完全滿足設備潤滑要求，設備潤滑、磨損狀態可能存在故障隱患，宜引起現場關注，并要求現場在必要時采取取樣復檢、加強巡視等措施。
（3）“報警”是指在用潤滑油一項或多項指標經連續多次檢測值均在標準規定的報警值范圍內，油品劣化明顯，已無法滿足設備潤滑要求。設備運行存在故障隱患，需采取更換潤滑油、部件檢修等維護措施。
為避免取樣不規范等干擾因素影響判別結論的準確性，對于首次檢測到“報警”值的樣品，一般應至少取樣復檢一次再進行確認（排除取樣環節可能的干擾因素），報告給出復檢結論后應在一個月內完成取樣復檢。
3 案列分析
按照風電機組齒輪箱的磨損程度，將其分為輕度磨損、中度磨損和重度磨損三種，下面分別舉例說明。
3.1 齒輪箱輕度磨損
表1 某風電場 2# 機組檢測數據
某風電場 2# 機組齒輪油 2018 年檢測時，其黏度和鐵元素含量均正常，2019 年檢測時，黏度明顯降低，鐵元素含量明顯升高（表1），齒輪油達到“注意”級別。由于黏度降低造成油膜變薄，增加摩擦副的磨損，導致鐵元素升高。如圖1 所示，油品中含有少量的正常磨損顆粒，磨損情況屬輕度，現場為慎重起見對齒輪箱進行內窺鏡檢查，結果顯示機組低速軸和行星輪葉片側軸承有輕微擦傷（圖2），建議持續關注該機組齒輪箱運行狀態，并在6個月后取樣復檢。
圖1 2# 機組齒輪油分析鐵譜（100×）
圖2 2# 機組低速軸和行星輪葉片側軸承內窺鏡圖片
3.2 齒輪箱中度磨損
某風電場1#機組齒輪油中表征磨損鐵顆粒含量的PQ 指數已超標（＞50），鐵元素也超標（＞100 mg/kg），已達到“報警”級別，圖3 是 100×顯微鏡下的分析鐵譜，由圖3可見油品中含有大量不同尺寸的磨損鐵磁顆粒，除有大量的正常磨粒（粒徑＜10 μm）以外，有疲勞剝落顆粒（粒徑＞50 μm），推測齒輪箱內部有異常磨損，經與風電場核實?機組運行時齒輪箱出現異響聲。對機組齒輪箱進行內窺鏡檢查，結果見圖4，其內齒圈有輕微點蝕（圖4a），軸承滾動體表面有凹坑，剝落嚴重（圖4b）。之后機組停止運行，并將齒輪箱下塔維修。
圖3 1# 機組齒輪油分析鐵譜（100×）
圖4 1#機組內齒圈和行星輪葉片側軸承內窺鏡圖片
3.3 齒輪箱重度磨損案例
表2 某風電場 3# 機組檢測數據
某風電場3#機組齒輪油次油液監測時未發現異常，后續檢測3次，發現鐵元素連續3次超標，PQ 指數連續2次超標（表2）。
圖5 分析鐵譜顯示，油品中含有大量疲勞剝落磨粒（粒徑?50 μm），已達到“報警”級別，內窺鏡檢查發現內齒圈有大量點蝕（圖6a），行星輪葉片側軸承有嚴重的剝落（圖 6b），與油液檢測結果一致，之后該機組停止運行，齒輪箱下塔維修。
圖5 3# 機組齒輪油分析鐵譜（100×）
圖6 機組內齒圈和行星輪葉片側軸承內窺鏡圖片
4 故障表現及應對措施
針對上述各類型齒輪箱磨損故障，采用的針對性應對措施見表 3。
表3 風電機組齒輪箱的故障表現及應對措施
5 結語
風電機組齒輪箱作為風電機組的核心部件，也是整個風電機組中成本較高的部件之一，通過油液監測和內窺鏡檢查相結合的方式，能及時、直觀地發現并消除設備的磨損隱患，對設備進行主動維護，避免設備主要摩擦部件因潤滑不良造成異常磨損，延長零部件的使用壽命。
參考文獻
[1]楊其明，嚴新平，賀石中.油液監測分析現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.
[2]王海剛.風電機組工作原理及結構[J].裝備機械，2010（4）：55-59.
來源：《設備管理與維修》2020年第1期
