基于某风电齿轮箱高速轴故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，闫鑫

基于某风电齿轮箱高速轴故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，闫鑫

齿轮、轴承等旋转部件作为风电齿轮箱中的关键零部件，对使用工况、润滑状态及内部清洁度等有着极高的要求，上述因素有任何改变或异常，都将对这些零部件的使用造成极大的影响，甚至导致齿轮或轴承失效，给整机厂商及风电场业主带来巨大损失。

对于已经成熟应用的风电齿轮箱来说，也时不时地会遇到一些重大故障，而引起故障的原因则可能仅仅是因为一些认识上的不足而导致的应用不当，使齿轮箱的使用工况发生了微妙的变化。本文通过对一例风电齿轮箱高速轴故障的分析，找出了引起该故障的原因。对比风电齿轮箱在应用过程中出现的各类情况，发现了存在类似情况的两种应用现象，通过分析找出了潜在风险并提出了规避的预防措施，为现场应用提供了参考。

某高速轴故障情况描述

某型号风电齿轮箱在客户总装后进行全功率测试，其中一台在试验初期系统尚未加载时就发生了高速轴轴承高温异常，并伴随有异响的情况。经拆解检查，发现高速轴上风向轴承已严重受损，如图1所示，其他未见异常。

故障原因分析

根据该风电齿轮箱结构、该受损轴承的安装位置及运转受力情况可知，在正常工况下，该高速轴在斜齿的啮合下旋转，其将受到轴向力，此时，下风向圆锥轴承将受到轴向推力与该轴的轴向力平衡，为主要承载轴承，上风向圆锥轴承成为非主要承载轴承。该起故障的受损部件为非主要承载轴承，非常罕见。

该齿轮箱的使用过程，仅经历了全功率试验，为搞清该起故障的真正原因，遂对该齿轮箱的试验过程进行了全面的调查。

经过调查发现，该齿轮箱在试验过程中，曾出现了因设备故障而调整电机的启动顺序的现象，其他过程没有异常。遂对该过程进行了认真的研究。

而调整电机的启动顺序，对于采用背对背电封闭的试验台来讲，因系统两侧的电机及配置基本对称，理论上是完全可行的，并且在实际试验中也被大量应用。风电齿轮箱的加载试验台大多都是这种配型，其在试验中是可以随意进行启动顺序的调整的。

全功率试验台结构简图如图2所示，其在结构上与标准的背对背电封闭试验台又存在一定的不同。在电机二和齿轮箱二间设置拖动电机，为试验台提供初始转速，在转速达到1400rpm之后电机二并网，继续提升系统的转速，此时，拖动电机断电随系统一起空转。电机一则根据试验的具体要求进行是否并网动作，最终完成空载或加载试验。拖动电机的存在，打破了背对背加载试验台的对称关系。

分析该齿轮箱的试验过程可知：

一、正常的电机启动顺序下

该试验过程，初始为拖动电机拖动齿轮箱二，由齿轮箱二再拖动齿轮箱一进行旋转，之后电机二并网，转为电机二拖动齿轮箱二，依然是齿轮箱二拖动齿轮箱一一起旋转。整改过程的齿轮箱受力方向一致，不存在异常受力情况。

二、调整电机启动顺序后

该试验过程，初始为拖动电机带动齿轮箱二，由齿轮箱二再拖动齿轮箱一进行旋转，之后电机一并网，开始由电机一拖动齿轮箱一旋转，并由齿轮箱一拖动齿轮箱二一起旋转，该过程发生了齿轮箱受力的突然反向，异常受力的情况由此发生。

由于电机一的并网导致了齿轮箱的受力突然反向，此时，最早受到冲击的，必然是高速轴。

齿轮箱受力发生突然反向，齿轮箱内部的齿轮必然发生了受力接触齿面的变更，即由一侧齿面接触变更为另一侧齿面接触。因该齿轮箱的齿轮均为斜齿，必然也导致了齿轮轴的轴向力发生反向。

当高速轴的轴向力发生反向时，该齿轮轴上的轴承受力情况也随之发生了突变，即上风向轴承由非主要承载状态突然变为承载状态，而此时系统及轴承都还在高速旋转（1400rpm），且运行时间不久，尚无达到温度平衡状态，因此，该高速轴的这对轴承游隙仍未正值，即存在一定的轴向间隙。对上风向轴承而言，在受力发生变更前，其滚子、保持架处于空转状态（非主要承载状态），轴承的滚子与内外圈滚道没有完全接触；在受力状态突然发生反向时，其滚子、保持架将在高转速情况下突然与轴承的内外圈完全接触并受载，变为承载状态，同时，又由于轴承存在正游隙，其必将发生轴向的窜动，滚子、保持架存在无法复位或复位不良的可能，并可能产生滚道或滚子的损伤，进而引起轴承的旋转不稳及异常摩擦，引起轴承迅速发热，最终导致轴承温度过高，使滚子、保持架相互咬合，引发故障。

故障分析结论及思考

通过对故障原因的分析，可基本认定导致该起高速轴故障的最大可能就是试验过程中的电机启动顺序变更导致的高速轴受力方向发生突然反向。该过程引发了轴承受损，并最终导致了故障的发生。

风电齿轮箱作为一个重要的传动部件，其设计经过了严格的计算，为防止其受到冲击时损坏而预留了较大的安全裕度，当其受力突然反向时，即使冲击力不大，还是造成了如此大的损伤，有些让人难以接受。然而，科学的分析又让我们不得不承认，如果是不当操作，哪怕很小，后果都可能极其严重。

既然齿轮箱受力突然反向可引发如此严重的后果，由此联想到了风电齿轮箱的整个试验过程及使用过程，是否还存在类似的操作或隐患，应该如何预防，需要引起大家的足够重视。

一、本文所提试验过程的电机启动顺序变更

分析过程不再累述。如何预防？

方法一，禁止电机的启动顺序变更。这是最直接、最简单的方法，投入也最小。但还是存在一定的安全隐患，比如误操作，且限制了试验台的灵活性，无法随意调整主陪试齿轮箱。建议通过完善硬件或软件的方式，设置防误操作的功能，彻底杜绝该类问题的发生。

方法二，改变系统结构，取消拖动电机，直接由电机二进行连接，此时，无论用电机一还是电机二拖动，另一只电机只需加载即可，不会再出现齿轮箱受力反向的情况。该方法比较彻底，效果最好。

二、调试或应用以及运转过程中制动盘制动

由于系统传动链较长，受系统刚度及齿轮侧隙等影响，在高速轴被抱死停止转动之后的一段时间内，将会出现叶轮及齿轮箱内的整个传动链发生剧烈的正反向冲击，该过程必然会伴随多次齿轮、轴承的正反向受力变化，对齿轮、尤其是轴承将造成极大的损伤。

预防措施一，在运转过程中，尤其是在高速状态下，要禁止直接进行制动盘制动。该方式也比较直接，但灵活性较差。

预防措施二，通过软硬件的方式，设定制动策略，禁止将齿轮箱一次性制动至静止状态，而是要在齿轮箱转速降低至很低时，在高速轴静止前再将制动盘释放，由齿轮箱自由停机，杜绝出现齿轮箱受力突然反向的情况。该方式实现

过程较为繁琐，成本较高，但最有效果，可完全规避紧急制动对齿轮箱造成的伤害，取消风电齿轮箱对紧急制动次数的限制。

三、风轮锁销未完全锁紧状态下的停机

由于风轮锁销未完全锁紧，风轮仍可在小范围内进行轻微转动，在风力的作用下，风轮将与风轮锁销发生撞击、回弹。由于风电齿轮箱的传动比较大，风轮的轻微转动，将导致后部轮系的大角度转动，风轮的撞击、回弹，导致轮系的频繁正反向旋转，也必然导致轴承频繁的受力突然反向，对轴承造成较大的损伤。

预防措施，就是如果需要锁上风轮锁销，则务必将其完全锁紧，防止风轮出现轻微的转动。

结语

风电齿轮箱，作为风电机组中的重要传动部件，与其内部的轴承、齿轮等重要传动零件，对使用工况、操作步骤及所处的状态都有极高的要求。本文通过对一起高速轴应用故障展开分析，发现引起该故障的原因，仅仅是因为认识上的一个错误而导致的应用不当。由此展开类比分析，发现类似的应用不当，还存在于多种场合，需要引起同行的足够注意。

由于齿轮箱受力的突然反向，对齿轮尤其是轴承的伤害极大，同时，因该伤害发生在齿轮箱的内部，不易察觉，往往会被忽视，而一旦伤害达到一定程度被发觉时，往往已造成了较大的损失。因此，需要同行在应用过程中，严格按照操作规程进行操作，同时，对各类故障进行认真分析，找到引起故障的根源，并做到举一反三，查找是否还存在其他类似的潜在故障，进行有针对性地改进及预防，消除潜在隐患，提高系统整体的应用安全性及可靠性。

（作者单位：王志勇，黎康康，符嘉靖：中戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司；闫鑫：中车戚墅堰机车有限公司）