长期锁止状态对风电增速器危害的研究*

文 | 汝学斌

长期锁止状态对风电增速器危害的研究*

文 | 汝学斌

风电增速器常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，自然环境恶劣，交通不便，修复困难，且故障期一般出现在发电的高峰期，增速箱一旦出现故障，维修周期长，严重影响其经济效益。因此，如何保证风电增速器20年的运行寿命，如何使风电增速器安全、可靠、高效运行，一直是风电相关技术领域研究的一个重要课题。风电增速器工作性能的提升，不仅需要从设计、制造方面不断改进，同时也需要从产品的安装、使用及维护方面予以充分的重视。

在风电增速器处于长期调试、长时间停机和风电场限发等期间，通常将增速器通过刹车装置使其处于长期锁止状态。经长期调试后开始运行的部分增速器在齿轮啮合时，风电场运维人员经常能清楚地听到发出异常啮合冲击的声音，这给运维人员判断风电设备继续运行与否造成了极大的困扰，而且这种现象在频繁停机限电的风电场也时有发生。为此，本文对这种异常啮合冲击声音产生的原因、影响运行的程度、存在的风险及解决方法进行了较为深入的研究。

增速齿轮箱异常现象

一、齿面微电解腐蚀现象

某风电场风电机组从安装到全部调试工作完成时间为半年，期间一直用发电机的高速抱闸刹车装置将电机轴抱死。并网运行初期发现增速器有异常的响声，经检查发现增速器的箱体上有水流过的痕迹，经开箱查看，发现多级齿面上有与啮合痕迹相吻合的黑线。

图1 各级振动的时域分析图

图2 高速轴振动的频域分析图

用振动状态监测仪对未满发电工作状态进行跟踪，捕捉到了明显的冲击信号。对四个测振点(前两个为轴向、后两个为径向) 进行时域分析，都出现明显的振动峰值，其振动值均远远超过出厂的振动指标，如图1所示；振动频域分析包络图是在进入到并网风速(1050r/min)时所测得的数据，如图2所示。该机型满发时的电机工作转速为1750r/min，该图对应的17.480Hz及其倍频，振动峰值达到A=41.26m/s2，超过4g的加速度值，属于严重的异常振动。

用内窥镜细查，此现象不仅发生在该增速器的高速级啮合齿面上，在箱体的多级齿面上也存在类似的黑线。

二、齿面微动点蚀现象

限发期间采用高速抱闸刹车装置将电机轴抱死，发现增速箱高速级齿面的工作面上有一定深度的啮合痕迹线，表面有轻微的发黑痕迹，但啮合线的边界非刀刻般地整齐，边界有压溃的现象。用振动状态监测仪对运行状况进行跟踪，捕捉到与图1、图2类似的明显的冲击信号，超过2g的加速度值，属于严重的异常振动。

三、轴承微电解腐蚀现象

在经常限发或长时间停机的风电场，发现增速器内的个别轴承有轻微的锈蚀痕迹，在轴承内外圈滚道上出现与滚动体等间距的沿轴向分布的双眼皮状印痕，即微电解腐蚀的现象，如图3所示；对滚动体的微电解腐蚀痕迹放大100倍后，可见红色和黑色的锈蚀痕迹已侵入到轴承的母材内，如图4所示；对轴承滚道的印痕放大100倍后，也可看到浅黄色的锈蚀痕迹已侵入到轴承套圈的母材内，如图5所示。

如设备在室外长期存放后直接进行装机，甚至看到有些增速器内的轴承外圈端面、滚动体端面上还留存着大量的锈蚀痕迹，比图3、图4、图5所示情况还要严重。

产生原因及影响分析

一、微电解腐蚀现象产生原因及影响

（一）轴承微电解腐蚀产生原因及影响分析

图3 轴承上等滚子间距的微电解腐蚀的现象

图4 轴承滚动体上微电解腐蚀情况(放大100倍)

图5 轴承滚道面上微电解腐蚀情况(放大100倍)

图6 轴承表面产生微电解腐蚀（锈蚀）的原理图

装配后长期存放的轴承，虽经试车跑合有一定的油膜能起到短期的防护作用，但空气中的水分会在滚动体与轴承内、外圈之间形成的楔形空间内积聚，并逐渐渗透到此空间的残留润滑油膜内，附着在轴承内、外圈和滚动体的金属表面，形成原电池，发生电解作用，产生[H]+和[OH]-（图6），并在此溶池内进行电解交换，生成FeO和Fe2O3，两种氧化物从表面沿晶间不断地向金属母材内发展，形成可见的锈蚀物，如图4和图5所示。氧化物均为脆性物质，形成凹坑，沿晶间形成的氧化物可破坏金属之间的结合强度，最终导致工作受载时锈蚀区域产生的凹坑无法形成有效承载油膜，周围的金属被不断压溃形成点蚀，造成快速失效。

（二） 齿面微电解腐蚀产生原因及影响分析

风电场长期未运行并采用轮毂锁止方式的增速器，虽然齿轮箱上的通气帽里有干燥剂能防止水分的侵入，但输入轴和输出轴为杜绝用橡胶密封产生老化一般都采用机械迷宫密封。昼夜的温度变化使机舱内的空气穿过机械迷宫渗入增速器内部，空气中的水分在增速器内凝结而无法扩散出去。此类增速器因长期静止不动，齿面啮合区的油膜沿齿面流失，箱体内部的水分在齿面的接触区聚集，最终发生如轴承类似的微电解腐蚀现象，久之在齿面的啮合区位置形成一条较深的黑线状的凹槽。增速箱再次工作时各齿轮副在凹槽处啮合造成冲击，齿面油膜难以建立，最终造成快速点蚀甚至发生断齿现象。

二、齿面微动点蚀产生原因及影响分析

如采用高速轴锁止的方式，则黑线主要在高速级出现。虽然高速轴被锁止不动，但齿轮箱各级齿轮啮合都存在侧隙，在风的作用下，风轮会通过主轴带动各级齿轮在齿侧隙和轴系发生弹性变形的范围内做一定的摆动，低速区因是自由状态，摆角较大，各级齿面还能滚动起来，即使处于无油状态，也因为载荷低而不会产生点蚀，且水分不易聚集；但高速区的一二级齿轮，因侧隙很小，几乎长期静止，但在前面各级传动作用下，高速级的齿面则在原处反复搓动，造成本身已无油膜润滑的齿面反复摩擦而露出新鲜的金属表面，造成齿面两侧同上所述出现水分的聚集，因而更易发生微电解腐蚀。同时腐蚀凹槽的边界会在干摩擦作用下变得不整齐。

三、解决方法及利弊分析

由前文分析得出，各种异常现象的产生都与齿轮箱处于长期锁止状态有关，产生的危害如齿轮箱的异常振动、齿轮齿面点蚀和断齿，这些现象的发生都会减少齿轮箱寿命，造成额外的损失。可见，长期停机期间齿轮箱的维护问题关系到后期齿轮箱的运行状态，对齿轮箱寿命能否达到设计要求至关重要。风电增速器由于长期锁止，产生的危害不可忽视，为排除齿轮箱的异常现象，以下提出几种解决方法。

（一） 定期润滑

在长期停机期间，对于采用轮毂锁止方式的齿轮箱，各级齿轮都处于静止状态。通过定期的润滑油循环润滑，防止齿面啮合区和轴承承载区油膜流失，可避免齿轮箱内水分长期聚集在齿轮啮合区和轴承滚道上，同时也可避免齿面微动点蚀的产生。

此方法的优点是在原有风电系统中不增加其他装置即可实现，应用范围广。缺点是电动润滑泵需要电力维持，减少了润滑油使用次数，增加了额外成本。

（二）调整桨距低速轻载运转

对于长期限发或长时间停机的增速器，通过打开锁止装置，调整叶片桨距使增速器低速轻载转动，即使未启动润滑泵，也可避免齿轮因长时间停在某固定位置造成的水分聚集和微动点蚀现象的发生。

此方法的优点是仅通过调整叶片桨距的方法，达到破坏微电解腐蚀条件的目的，同时也避免了齿面微动点蚀现象的产生，缺点是应用范围有限，只能应用于变桨距风电系统中。

结论

（1）长期停用或长期处于锁止状态的增速器易发生水分聚集在箱内的情况，并因此在齿面和轴承等部位产生微电解腐蚀现象。高速轴长期处于锁止状态的增速器因风轮频繁转动而易在高速级的齿面发生搓动现象，同时产生微动点蚀现象。两种情况会在齿面留下啮合黑线和明显的腐蚀凹槽。

（2）对风电齿轮箱振动状态监测发现，有黑线的齿轮副在啮合时有明显的冲击振动异常现象，并且产生类似断齿的特征信号。有黑线的齿轮副长期运行会造成齿面点蚀的快速扩展，最终可能发生断齿现象。

（3）对于采用轮毂锁止方式的增速器，使用润滑油循环润滑的方法，可以抑制齿轮箱内部因水分聚集而形成原电池腐蚀齿面现象的发生，降低齿轮在调试期间的损伤程度。对于变桨距的风电系统，通过改变叶片桨距，使增速器低速轻载运转，也可达到相同的目的。

5MW风电齿轮箱联合研发，国家国际科技合作项目 (2011DFB71670)

（作者单位: 太原重工股份有限公司齿轮传动分公司）