海上风电齿轮箱故障精细化管理初探

文 | 施惠庆，刘碧燕

海上风电齿轮箱故障精细化管理初探

文 | 施惠庆，刘碧燕

齿轮箱作为风电机组传动链中的核心部件，是风电机组重要的部件之一，对整机的安全、高效运行起着至关重要的作用，必须正确使用和维护，以延长使用寿命。齿轮油良好的润滑性能能够对齿轮和轴承起到足够保护作用，是齿轮箱持续稳定运行的保证；反之，将造成齿面点蚀、胶合、磨损和轴承的损坏。

目前风电行业应用普遍的三级齿轮箱，在近二十年时间里质量已实现巨大跨越，但齿轮箱故障导致的停机时间仍是最长的。齿轮箱故障精细化管理很有必要。

齿轮箱工作原理、常见故障及油品监测

一、齿轮箱工作原理

齿轮箱采用行星－平行轴混合传动结构，结构原理如图1所示。低速级转速低、扭矩大，采用行星传动，以太阳轮浮动均载为主；第二、三级扭矩小得多，采用斜齿传动，能有效保证叶尖高压油通道。齿轮油润滑系统由供油装置、油/风冷却装置及中间连接胶管组成。

齿轮箱与相联接部分须可靠紧固、轴线同心；转动灵活；齿面接触状态正常；润滑良好。运行应平稳，无振动或异常噪音；无渗漏，无松动；油温、轴承间温差正常。应定期检测和更换齿轮油。

二、齿轮箱常见故障及油品监测的重要性

齿轮箱故障，多为轴承、供油系统、密封及齿轮的失效。齿轮失效多为齿面损坏，从微点蚀扩大到剥落、磨损。供油系统故障，齿面油膜减少、热量增加，导致点蚀、胶合、磨损和轴承损坏。据统计：断齿和点蚀是齿轮故障的主要方式，各占41%、31%，磨损、其他各占10%、8%。齿轮箱故障原因中，设计、制造、材料占40%；维护、操作占43%；其他占17%。

齿轮断齿、磨损、点蚀轴承及齿轮箱变形等故障，都可能导致声音异常、振动增大、温升过高、漏油、能耗增大。齿轮油监测是重要的早期故障诊断方法之一。

齿轮油温高，可能导致散热系统不正常，需检查异声、齿面、轴承、取油送检，分析油中的金属成分、杂质来源、频谱分析，更换油品；齿轮油压力低，可能油泵工作不稳定，油温、粘度异常，机组满负荷，压力开关老化；齿轮油位低，可能管路渗漏，油温高；齿轮油泵过载，可能北方冬季长时间停机、粘度大；油封老化。

海上风电场齿轮油配置、分析项目及判断标准

一、海上风电场齿轮油配置

目前风电齿轮油多为美孚SHC XMP 320、嘉实多X320或A320、壳牌HD320或Omala S4 GX320、福斯CLP320。海上龙源风电场目前有155台机组，其中双馈机组115台，本文将分析投运3年以上的52台双馈机组。由于主机厂家多，齿轮油选用较多，涵盖了三种型号：美孚SHC XMP 320、嘉实多X320、壳牌HD320。

图1 齿轮箱的结构原理图

二、风电齿轮油检测、分析项目及控制标准

风电齿轮油检测，目前多采用人工取样检测，检测周期为6个月。

齿轮油分析项目包括：外观、运动粘度、酸值、水分含量、添加剂含量、磨损元素（铁、铜、铝）、清洁度、分析铁谱、氧化指数、PQ指数。指标控制标准，以Shell HD320为例，如表1所示。

不同品牌齿轮油，判断标准不同的主要是水分、酸值和氧化值。嘉实多的水分、酸值比其他油品高；氧化值的控制指标也各不相同，如表2所示。

海上风电场齿轮箱及齿轮油运行现状

一、历年齿轮箱故障及更换记录

海上龙源如东风电投运4年以上的双馈机组52台，其中试验风电场14台，示范风电场38台。2011年－2016年期间齿轮箱故障次数，试验风电场共计133台次，台均1.5次/年/台；示范风电场共计118台次，年台均故障次数0.5次/年/台，如表3所示。

图2 齿轮箱更换前后故障次数及占比（试验风电场4台）

图3 齿轮箱更换前后故障次数及占比（示范风电场5台）

（一）齿轮箱更换前后故障次数及占比分析

历年更换齿轮箱9台，其中试验风电场4台、示范风电场5台。这9台齿轮箱的更换记录、更换前后的故障次数及占比，按试验风电场、示范风电场分开比较，如图2、图3、表3、表4所示。

由图2、表3可见：H14机组，2011年更换齿轮箱后，故障率降低，2015、2016年故障又剧增。因此需要高度重视，及时维护或者更换。

H07、H08机组，2011、2013年故障较多，2013年更换齿轮箱后，运行趋于平稳。

H16机组，2015年故障较多，2015年更换齿轮箱后，无明显改善。需进行有效检查、分析，找到根本原因，进行维护。

表1 Shell HD320风电齿轮油指标控制标准

表2 不同品牌齿轮油判断标准比较

表3 试验风电场历年齿轮箱更换记录

由图3、表4可见：E35、F46、F50机组，齿轮箱故障次数，均在2014年达到最高值，更换齿轮箱后，未出现齿轮箱故障。

C19机组，2013年故障次数最高，2015年1月、7月共3次齿轮箱故障，2015年8月更换齿轮箱后，未出现故障；

D29机组，在2015年故障次数最高，2、3月份累计故障次数12次，7月更换齿轮箱后，未出现齿轮箱故障。

（二）齿轮箱故障与齿轮箱更换对应情况

比较发现，试验风电场齿轮箱更换的4台机位，有2台在历年故障前5名，对应关系不明显。表5 为试验风电场齿轮箱故障与齿轮箱更换对应表。

示范风电场齿轮箱更换的5台机位，有4台在历年故障前5名，对应率达到80%。表6 为示范风电场齿轮箱故障与齿轮箱更换对应表。

二、海上风电场历年齿轮油检测、换油记录

（一）试验风电场

运行3年的齿轮油检测结果如下：警告10次，涉及机位6台，占比42.9%；异常3次，涉及机位3台，占比21.4%。运行5年后，警告33次，涉及机位13台，占比92.9%；异常10次，涉及机位6台，占比42.9%。

（二）示范风电场

运行3年的齿轮油检测结果如下：警告45次，涉及机位17台，占比44.7%；异常4次，涉及机位3台，占比7.9%。运行5年后，警告54次、涉及机位18台，异常7次、涉及机位5台。

试验风电场14台参与比较机组中，历年更换齿轮油机位有6台，占比42.9%；示范风电场38台双馈机组中，历年更换齿轮油机位有8台，占比21.1%。

以C19为例，2013年齿轮油取样送检3次，磨损指数明显升高，检测结论“报警”，铁谱分析报告润滑与磨损综合状态“警告”；2014年铁谱分析显示磨损严重，综合状态“严重”，2015年换齿轮箱。

D29，2013年7月PQ指数升高、样品底部可见铁屑，铁谱分析报告有少量正常磨粒，润滑与磨损综合状态“警告”。2014年，在用油中磨损铁元素含量和铁磁颗粒含量均超标，铁谱分析报告显示少量磨损颗粒。

表7、表8可见：对于齿轮油检测警告、异常机组，一半以上可以通过及时更换齿轮油、改善齿轮箱润滑情况得以缓解和解决，避免故障扩大。

更换齿轮箱的9台中，齿轮油检测出5台，查出率55.6%。

表4 海上风电场历年齿轮箱更换记录

表5 试验风电场齿轮箱故障与齿轮箱更换对应表

表6 示范风电场齿轮箱故障与齿轮箱更换对应表

三、海上风电场历年齿轮箱振动检测、内窥镜检查记录

（一） 振动检测

2014年－2015年，对试验风电场14台双馈机组分别进行齿轮箱离线、在线振动检测。查出轴承故障5台，轮齿损伤8台，其中3台建议及时维护或更换，如表9所示。

示范风电场离线振动检测，查出：D29轴承早期磨损，C17高速轴齿轮齿面点蚀磨损。

试验风电场在线监测，查出：1台高速端轴承损伤（H15）；2台中、高速端轮齿损伤（H07、H08）；2台齿圈或行星轮系损伤（H05、H06），1台二级行星轮系损伤（H16）。

示范风电场在线监测，查出：3台（E35、F46、F50）振动异常，停机检查发现齿轮箱本体有微裂纹，确定更换齿轮箱。

更换齿轮箱的9台中，离线振动检测出4台，查出率44.4%；在线振动检测出6台，查出率66.7%。

（二）内窥镜检查

对振动检测有问题的机位，进一步进行齿轮箱内窥镜检查。

试验风电场，查出轴承、齿轮均有问题的7台，包括更换齿轮箱的3台（H14、H07、H08）；轴承问题的1台，齿轮问题的3台。轴承故障内容，主要包括：压痕、点蚀、磨损、铁屑、划伤；齿轮故障内容，主要包括：划痕、磨损、点蚀、剥落、灰变、停车痕、压痕、锈迹。检查后建议：加强轴温、油温监测，内窥镜检查，返厂维修，更换齿轮箱。

示范风电场，检查4台机位，查出齿轮问题3台，包括更换齿轮箱的1台（D29）。

更换齿轮箱的9台中，内窥镜查出4台，查出率44.4%。

综上所述，齿轮油检测、振动监测、内窥镜检查的报警机位与齿轮箱更换机位的对应率分别为55.6%、66.7%、44.4%，加上互补区域，故障诊断率高达88.9%。综合分析对故障的早期预判和诊断显示其优越性和重要性。

齿轮箱故障精细化管理建议方向

一、加强齿轮箱日常维护

齿轮箱运行中的日常维护和状态监测，包括在持续大风、登机巡视、离开机舱前检查。检查内容：外观、噪音、油位、渗漏、异声，滤芯、电气接线。监控指标：同心度、振动、油温、轴温、齿轮泵出口压力、油质，油温低于零度时开启加热；突然升温时，及时查询和处理，避免故障扩大；检修时，尽量避免采用紧急制动，降低冲击。

作为风电齿轮箱状态监测和故障预警的有效技术手段之一的齿轮油液监测，也需重视出质保验收、新油验收、按质换油等管理环节，运行中加强跟踪油位、油品指标。

二、建立、健全故障及维护台账，综合分析、及时处理

包括：齿轮箱安装、调试、故障台账，齿轮油检测、振动监测、内窥镜检查台账，齿轮油、齿轮箱更换台账等。

要重视齿轮油、振动、内窥镜等所有监检测报警，全面、综合分析监检测报警信息，力争做到准确判断、快速反应、及时处理。

三、运用现代化远程监测技术分析、管理

在齿轮油液监测中，目前以人工取样检测模式为主，可分次转变为在线监测模式，则可有效解决海上风电取样周期长、通达性差、监测滞后、不能及时发现问题的状态。齿轮油在线监测、齿轮箱磨损状态在线监测，是齿轮箱故障精细化管理的技术发展方向。

随着科技发展，齿轮油监测、振动监测这两种设备状态监测的常用技术手段，也可联合应用于风电齿轮箱故障预警管理系统。齿轮油监测和振动监测都在国内风电运维领域得到广泛应用，两者相结合，更利于综合分析、预判风电齿轮箱故障。

表7 历年齿轮油检测警告、异常机组

表8 历年铁谱分析报告警告、异常汇总

表9 试验风电场离线振动检测报警位置统计（2014年－2015年）

结论

综上所述，为了保证齿轮箱的润滑性能、确保机组高效稳定运行，必须做到以下几点：

（一）加强风电设备的日常检查、维护和管理。建立、健全设备故障及维护档案。

（二）充分重视齿轮油检测、振动监测、内窥镜检测中的报警、异常，将齿轮油监测和振动检测、内窥镜检查结果相结合，综合判断齿轮箱运行、磨损状况。

（三）需利用现代化科技技术，结合生产实践，开发出对齿轮箱运行中特征数据在线监测系统，以实现连续、及时监测，科学、有效分析，准确评估、处理的专家诊断功能，确保机组安全、稳定运行。

（作者单位：江苏海上龙源风力发电有限公司）