齿轮箱的维护与故障分析

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风机齿轮箱故障原因分析

作者：王明超

来源：《名城绘》2019年第01期

摘要：风能作为一种产量高、可再生、绿色无污染的新能源，正在被世界各国所重视。风能在供电的同时，不会对人类赖以生存的环境造成污染，所以，风力发电的发展对解决能源匮乏、环境污染等问题有着重要的意义。近年来，风力发电在我国得到了长足发展，风力发电技术也取了得喜人的进步。目前的风电市场，仍是传统的多级变速齿轮传动型风机继续主导市场。相比于几年前的1MWe以下机型，现在流行机型是1.5～2MWe等机型，而且更大的机型也变得越来越普通。随着风机单机容量增大，发电机组将面临更大挑战，即需要设计更可靠的、足以抵御可能承受的巨大压力的齿轮箱。基于此，本文就风机齿轮箱故障原因展开了分析。

关键词：风机；齿轮箱；故障；原因

1风机齿轮箱故障原因分析

1.1齿轮失效

在齿轮传动过程中，如果轮齿发生折断、齿面损坏等现象，则齿轮就失去了正常的工作能力，这种现象称为齿轮失效。影响失效的原因很多，主要集中在齿轮上，常见的齿轮失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形等。（1）齿面点蚀是在很小的接触面积，循环变化的情况下，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹或微粒剥落下来，形成不同程度的麻点，多发生在靠近节线的齿根表面，齿面点蚀可由提高齿面硬度解决。（2）齿面胶合是在齿轮箱高速重载的情况下，啮合区温度升高引起润滑油失效，使得金属表面直接接触并互相黏连，而后在运动过程中，较软的齿面被撕下而形成的沟纹，多发生在齿轮接触表面。齿面胶合可通过采用黏度较大的和抗胶合的专为风电机组齿轮箱研发的复合润滑油，同时，也要求轮齿在制造过程中表面足够光滑，且保有必须的硬度系数。（3）齿面磨损是由于齿轮之问有一定空隙，接触表面产生较大的相对滑动，多次重复摩擦产生的，多发生在齿轮接触表面。齿面磨损同样也需要轮齿提高硬度，但还需满足降低轮齿粗糙度，提高润滑效果，加大模数以及提高密封状态。（4）齿轮塑面变形是由于齿轮低速运行但载荷过大，使得齿面压力过大，多发生在轮齿部位。按照齿轮状态可分为断齿和齿面损伤两大类。齿面塑性变形可通过减小齿轮所受载荷，减小齿轮所受的应力，同时减少风速较小时的启动频率。

电力电子・Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　关于风机齿轮箱常见故障的分析与改进　

【关键词】风机齿轮漏油油温高改进　１齿轮箱油温过高的可能原因　１．ｉ风冷器可能故障　１．１．１风冷器自身故障　如电线短路、断路、电机烧坏等导致风　扇不运转　１．１．２灰尘影响风冷器散热　散热片上大量的灰尘覆盖会影响风冷器　的散热，导致润滑油冷却不足　Ｉ．１．３风冷器的接线错误　接线错误会导致风扇反转，会导致风向　相反，影响散热　ｉ．２润滑系统到油分配器、冷却器的油管接反　过滤器的两个出口分别标示了到齿轮箱　或者到冷却器，温度较低时直接进入油分配器，　温度较高时进入冷却器。如油管接反则高温油　经过冷却器冷却，必然会产生油温过高。将　油管按正确要求安装即可解决　１．３润滑系统的压力阀或温控阀错误　在过滤器与齿轮箱油管连接无误的情况　下，当油温超过５５。Ｃ过滤器到油分配器的管　子仍有流油的情况下（判断方法：摸该油管，　如温度与分配器的温度一致或者有油流动的振　动感则说明该油管有油流过），说明过滤器的　温控阀存在问题。可以像润滑系统厂家或技术　部进行咨询，更换温控阀。如果是英德诺曼的　压力阀问题会比较困难，需要几方共同解决。　１．４溢流阀问题　溢流阀作为泄压元件，应在齿轮箱油温　低、压力高的时候才会发生作用。目前发现有　油温高溢流阀仍然流油的情况，这样经过冷却　的油量会减少，部分的油未经冷却直接回齿轮　箱，导致整体冷却不足，油温偏高。遇到油温　高、压力低而溢流阀又开启的情况，应及早与　润滑系统厂家联系解决。　２高速轴轴承温度过高原因分析　文／靳晓东　３）油孔被杂质堵塞导致油量减少；４）进油孔　油路未钻通。根据实际情况检查是否为以上原　因，并进行相应的处理。　２．２轴承径向游隙过小　轴承的运转必须保证一定的径向游隙。　当游隙过小时会导致滚子和滚道憋劲的现象，　大量发热而导致温度上升。这种情况比较少见，　可以用塞尺检测轴承上端的径向游隙。　２．３齿轮喷油不足　齿轮喷油不足或者油孔没有对准齿轮，　会导致齿轮温度高，继而热量传导至距齿轮较　近的轴承处使轴承温度偏高。　２．４油温过高　冷却不足的情况下油温过高，使高速轴　承温度不能有效的卸去，导致轴承温度过高。　２．５油温过低　油温过低也容易造成高速轴轴承温度过　高，润滑油在低温的情况下粘度很大，通过进　油孔的油会变得很少，而且粘度高的油液流动　性很差，导热的能力也会差很多，导致轴承温　度越来越高，造成恶性循环。该情况主要反映　在冬季以及水冷润滑系统的齿轮箱上，例如海　装辉腾锡勒的ＦＬ２０００Ｈ轴承温度高的案例。　２．６轴承损坏　轴承的损坏会使滚子运行不平稳，特别　是高速轴轴承转速很高的情况下会大量发热。　２．７摩擦或盘根过紧　零件干涉摩擦以及盘根安装过紧都会产　生大量的摩擦热，使轴承温度升高。　３齿轮箱存在的问题分析及对策　３．１齿轮齿面上有磕碰伤造成响声　情况：该问题主要反映在整机生产厂家　的总装厂试验台，该种异响的特点：响声频率　稳定，单向有异响，反向旋转无异响，可以通　过计算低速轴的转速和异响的频率关系来确定　异响发生的具体位置原因：装配过程中出现磕　碰，由于公司在试验质量把关上存在纰漏，有　极少量的齿轮箱可能会出现这样的问题。处理　根据分析结果仔细寻找相关齿轮齿面上的碰伤　处，寻找时应将齿面上的油擦拭干净，以免影　响手感。碰伤主要存在于齿顶及齿廓两侧。　案例：２０１１年集宁风电总装厂及２０１０年　国电保定总装厂。　３．２齿轮自身周节误差过大造成的异响　情况：该问题同样反映在整机生产厂家　的总装厂，该种异响的特点：响声频率稳定，　双向旋转均异响；原因：齿轮加工造成的相邻　齿周节变化过大产生的异响。可以通过速比关　系查找问题齿轮的齿轮检测报告；　处理：除可取出的高速轴外现场无法处　理，只能回公司进行更换返修。　２．１轴承进油量不足　３．３摩擦干涉的异响　处理：找出干涉摩擦的部件，对零件进　行返修加工或者进行紧固处理。　３．４轴承自身问题造成的异响　情况：当出现的响声是嗡嗡声且频率较　快、齿面检查正常、用速比关系计算出不是齿　轮的问题时，那么极有可能就是轴承出现了问　题；原因：轴承的内圈滚道或者滚子表面有凹　痕会引起轴承运转不平稳，造成异响；　处理：仔细检查轴承滚道和滚子，发现　有问题更换轴承。　案例：通辽宝龙山Ｆ２４５８异响。　３．５齿轮长期停放锈蚀造成的异响　情况：一对齿轮副的两个齿轮上各有～　个齿出现长条状锈蚀痕迹，其余齿完好；　原因：齿轮箱长期停放造成齿面锈蚀，　运行不平稳产生异响；　处理：该锈蚀无法彻底消除，只能先用　油石抛光，再后续跟踪；　案例：华创太阳山风电场、甘肃昌马　Ｆ２３９４。　３．６非齿轮箱自身原因的异响　情况：响声出现在低速端主轴或高速端刹　车盘附近，经检查齿轮箱各部件完好仍有异响　的情况，或者响声频率不与转速成正比；原因：　低速端有可能是轮毂或者主轴轴承出现问题，　高速段可能是联轴器或者电机找正偏差所致；　处理：在反复查找齿轮箱确认没有问题的情况　下，可以判断是其他部件出了问题，可以要求　整机厂家对可能发生问题的部件进行查找。　３．７漏油故障分析　漏油是齿轮箱传动系统中常见故障，漏　油会影响齿轮、轴承等箱的润滑效果，使得各　运动副零配件之间摩擦加剧，减少各零件的使　用寿命。严重的漏油将使齿轮箱无法正常工作。　齿轮箱漏油问题牵涉的方面很多，如设计、工　艺、加工、装配、铸造等，产生漏油的原因很　多，在实际设备维护中，要根据具体情况分析　原因，再采取相应的排除方法。根据企业大量　实际维修经验，齿轮箱漏油主要是因为以下几　个原因：１．密封件损坏或装反导致接合面密封　不严；２．相对运动零件尺寸配合间隙过大，或　是因为长期运动磨损使得间隙过大；３．箱体铸　件有气孑Ｌ、砂眼等缺陷；４．工作温度太高或润　滑油粘度太低；５．润滑油管变形或存在裂痕导　致油管漏油。　参考文献　［１］　杨龙．多功能散热加油装置在氨分解罗　茨风机上的应用…．通用机械，２Ｏ１　０．　［２】　王昕平．恢复Ｒ　３６　３罗茨风机的使用［Ｊ】．　有色冶金节能，２００３．　【３］　王多强．ＴＲＦ　３００Ｅ型罗茨风机维修与维护　［Ｊ］．新疆有色金属，２　０１１．　【４］　李世颖．关于ＭＧＧＡ型罗茨风机故障排除　及参数调整等有关问题的探讨…．粮食　与食品工业，１９９　５．　【５］　陈金英，常清峰，马卫东，李献平．ＲＡＳ　罗茨风机修复及技术改进…．冶金动　力，２　００７．　大，　猫　黜藿鬟　位　橐銎　０２懈６０００…惭自　５０・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

第2章 齿轮箱的故障和振动信号

2.1齿轮箱故障的主要形式

齿轮箱系统是包含齿轮、轴承、传动轴及箱体等结构的复杂系统。其中主要故障发生在齿轮、轴承和传动轴上。在齿轮箱的诊断中，一般只给出是否产生故障及产生故障的位置，根据振动信号的特点，一般常见的典型故障形式有齿轮失效、轴和轴系失效、箱体共振和轴承疲劳脱落和点蚀等几种【5】。

在这些常见故障中，齿轮和滚动轴承的故障占齿轮箱故障的80％左右【4】。因此，对齿轮和滚动轴承的故障类型和振动机理进行剖析，对于识别齿轮箱故障类型有重要的意义。

2.1.1 齿轮的故障类型及振动机理

（1）齿轮的故障类型 齿轮的故障类型大致可分为以下两种类型：

1）由制造误差和装配误差引起的故障。具体的故障包括齿轮偏心、齿距偏差、齿形误差、轴线不对中、齿面一段接触等故障。齿轮制造时造成的主要缺陷有：偏心、齿距偏差和齿形误差等。齿轮装配不当，也会造成齿轮的工作性能恶化。当齿轮的这些误差较严重时，会引起齿轮传动中忽快忽慢的转动，啮合时产生冲击引起较大的振动和噪声等【5】。

2）运行中产生的故障 齿轮除上述故障外，其在本身运行过程中也会形成许多常见的故障，例如断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重交合等等。齿轮预定寿命内不影响使用的磨损成文正常磨损，如果因使用不当、用材不当、接触面存在硬颗粒以及润滑油不足等原因引发早期磨损，将导致齿轮形变、重量损失、齿厚变薄、噪声增大等后果，甚至会导致齿轮失效。其中若润滑油不足，还会导致齿面胶合，胶合一旦发生，齿面状况变差，功耗增大，从而使得振动信号变强。

（2）齿轮的振动机理 一对啮合齿轮，可以看作一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，其力学模型如图2-1所示。

图2-1齿轮对的力学模型

其振动方程为【4】：

MrX+CX+K(t)X=K(t)E1+K(t)E2(t) 2-1

式中 X——为沿作用线上齿轮的相对位移

风力发电机齿轮箱常见故障分析与预防措施 王俊磊

摘要：针对我风电场风力发电机两种型号齿轮箱结构，以及出现的齿轮箱故障。分析了齿轮箱齿轮损坏、轴承失效、箱体开裂、轴窜动、空心管渗油、风力发电机异常振动等故障的原因。提出了齿轮箱故障的诊断方法及预防措施。

关键词：风力发电机；齿轮箱；齿轮；轴承；空心管；油质：振动监测

我风电场建于2007年，运行至今已有7年之久，齿轮箱是整套机组中非常重要的传动部件，已出现明显的裂化趋势。由于风力发电机组的特殊性，齿轮箱维修难度大、费用高，所以对风力发电机组的齿轮箱故障诊断和预防就显得更加迫在眉睫。

一、齿轮箱的结构

我风电场1MW、1.5 MW风力发电机齿轮箱由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动组成，是一种典型的传动装置。齿轮箱利用其前箱盖上的两个突缘孔内的弹性套支撑在支架上。齿轮箱低速级的行星架通过涨紧套与机组的大轴连接，三个一组的行星轮将动力传至太阳轮，再通过内齿联轴节传至位于后箱体内的第一级平行轴齿轮，再经过第二级平行轴齿轮传至高速级的输出轴，通过柔性联轴节与发电机相联。齿轮箱输出轴端装有制动法兰供安装系统制动器用。

该齿轮箱结构紧凑、拆卸方便，低速级转速低、扭矩大。平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配减速比，提高传动效率。胀紧套连接传递的扭矩大。太阳轮质量小、惯性小、浮动灵活、结构简单。

二、齿轮箱部件损坏形式及原因分析

齿轮箱的运行环境比较恶劣，受力随风速变化而变化，很容易因润滑不充分、密封老化等原因引发故障。针对我风场齿轮箱故障原因分析总结如下：

1、齿轮断齿损坏

图1

齿轮是一种复杂的机械零件，它的制造工艺、安装以及运行维护都是较为复杂的，而这一系列工作过程控制得是否严格，都对齿轮的寿命有很大的影响。造成齿轮损坏的主要原因如下：