关于齿轮箱改造升级的研究

关于齿轮箱改造升级的研究

于永波

大唐东疆新能源公司   新疆哈密市  839300

摘要：随着能源需求的不断增长，风电作为清洁能源的一种，已经成为了全球范围内的重要能源之一。然而，风电机组在长时间的运行过程中，难免会出现一些问题。其中，齿轮箱是一个常见的故障点，该部分一旦出现故障具有较高的维修成本，会给风力发电带来巨大的影响和损失。因此，为了提高风电机组的可靠性和性能，齿轮箱的改造升级也成为了研究的热点之一。基于此，本文围绕着风电机组齿轮箱展开论述，对其失效故障形式进行分析，剖析产生问题的原因，同时针对问题提出相应的改造升级方案。

关键词：风电机组；齿轮箱；失效故障；问题；改造升级

引言

风电机组齿轮箱是风力发电机组中的关键部件，其性能和可靠性直接影响着整个风电机组的运行效率和安全性。然而，齿轮箱失效故障形式是风电机组运行中常见的问题之一，严重影响了风电机组的正常运行。对此，优化齿轮箱性能，对齿轮箱进行改造升级也成为加快风电产业运行发展的关键。

一、齿轮箱失效故障形式

（一）齿轮箱失效形式

风电机组齿轮箱失效故障形式主要包括以下几种类型：齿轮疲劳断裂、轴承失效、齿轮啮合不良、齿轮箱过热、油液污染等。首先，齿轮疲劳断裂是齿轮箱失效的常见形式之一。由于风电机组齿轮箱长期在高速、高负荷的工况下运行，齿轮受到的载荷和应力较大，容易导致齿轮疲劳断裂。其次，轴承失效也是齿轮箱常见的故障形式之一[1]。轴承在风电机组齿轮箱中承担着重要的支撑和传动作用，一旦轴承失效，就会导致齿轮箱运行不稳定甚至停机。此外，齿轮啮合不良也是齿轮箱失效的常见形式之一，啮合不良会导致齿轮磨损加剧、噪音增大，严重影响齿轮箱的正常运行。另外，齿轮箱过热和油液污染也是常见的齿轮箱失效故障形式，过热会导致齿轮箱零部件的热膨胀，加剧磨损和损坏；油液污染则会导致润滑不良，加速齿轮箱零部件的磨损和故障。

（二）故障危害

齿轮箱失效故障是风电机组常见的一种问题，严重的影响了风电企业的正常生产。就目前而言，风电机组齿轮箱失效故障的危害主要表现在如下几方面：①会导致风力发电机组停机维修，影响发电效率。齿轮箱是风力发电机组的关键部件之一，一旦发生故障，就需要停机维修，这不仅会造成发电量的减少，还会增加维修成本和时间成本。长时间的停机维修还会影响发电机组的稳定性和可靠性，降低其整体的经济效益；②会带来安全隐患。风力发电机组通常安装在高海拔、复杂地形的地区，一旦齿轮箱失效，可能会导致风力发电机组的失稳、倾倒甚至爆炸，对周围环境和人员造成严重的伤害和损失。因此，齿轮箱的失效故障对风力发电机组的安全运行构成了严重的威胁；③会增加运维成本。齿轮箱的维修和更换需要大量的人力、物力和财力投入，而且通常需要采用大型起重设备和专业技术人员进行操作，这些都会增加风力发电站的运维成本。特别是在偏远地区或恶劣环境中，维修难度和成本更是倍加增加[2]；④会影响风力发电机组的寿命和可靠性。齿轮箱是风力发电机组中的易损件之一，其失效会加速整个机组的老化和损耗，降低其使用寿命和可靠性。长期以来，齿轮箱的失效一直是风力发电行业的一大难题，如何提高齿轮箱的使用寿命和可靠性一直是风力发电行业亟待解决的问题。

二、某风电场齿轮箱现状

某风电场在实际运营过程中，齿轮箱故障频繁，给该企业的发展带来了巨大的影响。经过对2021年风电场风机故障汇总分析发现，其中齿轮箱在CMS振动3台“注意”级别告警中出现两次中间轴点蚀、剥落、磨损，一次高速轴、大齿圈点蚀、剥落持续劣化。经过开盖监测发现其中有7台重齿齿轮箱中间轴存在轻微压痕，同时由于21年之后风电场经历长周期大负荷的考验，出现过齿轮箱断齿缺陷，根据现场检查情况以及设备劣化趋势分析，齿轮箱及内部轴齿依然存在损坏、断齿风险。除此之外，由于夏季高温、高负荷导致齿轮箱油温高的情况较普遍，当前解决措施为更换温控阀、清洗散热片、更换滤芯等，但均无法彻底解决高温问题。2021年该企业在现场对现有ACS温控阀进行研究，温控阀开度若低于90%，失效会较新温控阀加快1.5倍左右，由于石蜡导热性能差，在温包中都会掺入金属粉以提高调节性，但是在使用中介质受高温后金属粉会发生沉淀，造成调节性降低或失效[3]。经过调研，根据德国ACS公司提供的数据显示温控阀寿命3万次或不小于2年，现场使用的温控阀连年呈现阶梯式更换，无法保证齿轮箱运行温度的稳定，为提升设备可靠性、延长齿轮箱油品和大部件的使用寿命，需对温控阀进行换型改造。

三、齿轮箱改造升级方案

为了改善当前该企业风电机组齿轮箱运行问题，降低设备故障率，需要对齿轮箱进行升级改造。具体可以从一下三方面入手：①对齿轮箱进行换型改造。根据风电机组齿轮箱实际工况和使用要求，对原有齿轮箱的结构、材料、制造工艺、润滑系统等方面进行改进和优化，以提高齿轮箱的承载能力、传动效率、工作平稳性和使用寿命。换型改造的方式包括但不限于更换齿轮箱的齿轮、轴承和密封件、优化齿轮箱的润滑系统、提高齿轮箱的密封性和散热性能等。在改造过程中，需要严格按照齿轮箱的设计规范和安全标准执行，并且对设备的工作条件和使用环境进行全面的分析和评估，确定改造的必要性和可行性；②对中间轴承进行改造升级。经过对风电机组齿轮箱运行工况分析发现，传统的轴承并不能满足高温需求，因此需要选用耐磨损、耐腐蚀、高温抗疲劳的新型轴承材料。除此之外，在齿轮箱加工过程中，需要保证加工精度，使轴承与孔的配合达到应有的工艺要求；③将温感式温控阀更换为压力分流式温控阀，及时监测齿轮箱温度，降低因高温导致齿轮油失效的风险，提高齿轮箱运行效果，确保大部件安全稳定运行

[4]。

四、齿轮箱维护保养方案

齿轮箱的改造升级是延长齿轮箱使用寿命的关键，但科学的维护保养是保证齿轮箱有效运行的基础。为了降低风电机组齿轮箱的故障情况，相关工作人员需要加强对齿轮箱维护保养工作的重视。在具体的工作当中，首先，工作人员应该从日常的检查和保养开始。在风机运行过程中，定期检查齿轮箱的润滑油情况，确保润滑油的充足和质量良好。同时，要定期清洁齿轮箱的外部表面，防止灰尘和杂物进入齿轮箱内部，影响齿轮箱的正常运转。此外，还需要定期检查齿轮箱的密封件和轴承，确保其完好无损，防止润滑油泄漏和齿轮箱零部件的损坏。其次，注意齿轮箱的润滑工作。正确的润滑工作可以有效减少齿轮箱的磨损和摩擦，延长齿轮箱的使用寿命。因此，需要选择适合的润滑油，并根据设备的使用情况和工作环境，制定合理的润滑周期和润滑量[5]。在更换润滑油时，要彻底清洗齿轮箱内部，并确保新润滑油的质量和充足度，以保证齿轮箱的正常运转。第三，需要注意齿轮箱的温度监测和故障诊断。定期监测齿轮箱的工作温度，确保齿轮箱的工作温度在正常范围内。一旦发现齿轮箱温度异常，需要及时排除故障，以防止齿轮箱因过热而损坏。同时，还需要定期进行齿轮箱的振动和噪音检测，及时发现齿轮箱的异常振动和噪音，并进行故障诊断和处理，以保证设备的安全运行。

五、结束语

综上所述，风电机组齿轮箱失效故障形式是风电机组运行中常见的问题，对于其研究和分析具有重要的意义。因此，相关风电企业应当加强对齿轮箱失效故障形式的深入了解和分析，剖析发生故障的主要原因，同时对齿轮箱进行优化改进。除此之外，相关工作人员还需要加强对齿轮箱维护保养工作的重视，只有高效落实日常的检查和保养、正确的润滑工作以及温度监测和故障诊断，可以有效保护齿轮箱，确保设备的正常运行。

参考文献：

[1]程漠砥,仲启,刘一凡.某型半直驱风机齿轮箱断齿故障分析[J].吉林电力,2023,51(05):44-47.

[2]骆东松,薛鑫.基于PSO-SVDD的齿轮箱故障诊断[J].舰船电子工程,2023,43(02):119-122.

[3]彭凌云,韩虎.关于风电机组检修维护的要点讨论[J].机电产品开发与创新,2022,35(06):173-176.

[4]孟繁晔,高翼飞,陈长征.基于多方向振动数据的风机齿轮箱故障智能诊断[J].机械工程师,2022,(11):66-70+73.

[5]胡亚威,孙文磊.风机齿轮箱状态监测与故障诊断系统设计研究[J].机械设计与制造,2021,(04):162-166.