并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術興起于20世紀80年代，并迅速實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，作為一項新的能源技術開始受到更多國家的重視。經(jīng)過十多年的發(fā)展，國內(nèi)的風電場也由初期的數(shù)百千瓦裝機容量發(fā)展成為數(shù)萬千瓦甚至數(shù)十萬千瓦裝機容量的大型風力發(fā)電場，風力發(fā)電機組的單機容量已從最初的幾十千瓦發(fā)展為今天的幾百千瓦，兆瓦級風電機組也開始逐步出現(xiàn)在國內(nèi)風電場。
近年來隨著風電機組單機容量的不斷增大，以及風電機組的投行時間的逐漸累積，由齒輪箱故障或損壞引起的機組停運事件時有發(fā)生，由此帶來的直接和間接損失也越來越大，維護人員投入相關工作的工作量也有上升趨勢。這就促使越來越多的風電場開始加強齒輪箱的日常監(jiān)測和定期保養(yǎng)工作。
以我場為例：2000至2002年由于齒輪箱故障或損壞導致的直接電量損失年均約15萬kwh，占非常規(guī)維護工作量的40%以上。
由于并網(wǎng)型風電機組起停較為頻繁，葉輪本身轉(zhuǎn)動慣量又很大，大中型風電機組的葉輪轉(zhuǎn)速一般都設計在20－40轉(zhuǎn)/分，機組容量越大，葉輪直徑越長，轉(zhuǎn)速相對就越低，為滿足異步雙速電機的工作條件，在葉輪和發(fā)電機之間就需要裝設齒輪箱增速。由于機艙尺寸的限制，大型風電機組的機械傳動系統(tǒng)一般都沿機艙軸線布置，齒輪箱也從以前多級正齒或斜齒齒輪箱而改為更多采用結(jié)構(gòu)緊湊的行星齒輪箱。隨著大型風電機組采用的齒輪箱傳遞扭矩增大，結(jié)構(gòu)更加緊湊、復雜，對風電機組維護檢修人員的要求也不斷提高。
1. 日常保養(yǎng)和定期保養(yǎng)維護
1. 1日常保養(yǎng)
風電機組齒輪箱的日常保養(yǎng)內(nèi)容主要包括：設備外觀檢查、潤滑油位檢查、電氣接線檢查等。
具體工作任務包括：運行人員登機工作時應對齒輪箱箱體表面進行清潔，檢查箱體及潤滑管路有無滲漏現(xiàn)象，外敷的潤滑管路有無松動，由于風電機組振動較大，如果外敷管路固定不良將導致管路接頭密封損壞甚至管路斷裂。此外，還要注意箱底放油閥有無松動和滲漏，避免放油閥松動和滲漏導致的齒輪油大量外泄。
由油標尺或油位窗檢查油位及油色是否正常，發(fā)現(xiàn)油位偏低應及時補充。若發(fā)現(xiàn)油色明顯變深發(fā)黑時，應考慮進行油質(zhì)檢驗，并加強機組的運行監(jiān)視。遇有濾清器堵塞報警時應及時檢查處理，在更換濾芯時應徹底清洗濾清器內(nèi)部，有條件最好將濾清器總成拆下在車間進行清洗、檢查。安裝濾清器外殼時應注意對正螺紋，均勻用力，避免損傷螺紋和密封圈。
檢查齒輪油位油位、溫度、壓力、壓差、軸承溫度等傳感器和加熱器、散熱器的接線是否正常，導線有無磨損。在日常巡視檢查時還應當注意機組的噪音有無異常，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。
1. 2定期保養(yǎng)維護
風電機組定期保養(yǎng)維護內(nèi)容主要包括：齒輪箱連接螺栓的力矩檢查、齒輪嚙合及齒面磨損情況檢查、傳感器功能測試、潤滑及散熱系統(tǒng)功能檢查、定期更換齒輪油濾清器，油樣采集等。有條件時可借助有關工業(yè)檢測設備對齒輪箱運行狀態(tài)的振動及噪音等指標進行檢測分析，以期更全面地掌握齒輪箱的工作狀態(tài)。
根據(jù)風電機組運行維護手冊，不同的廠家對齒輪油的采樣周期也不盡相同。一般要求每年采樣一次，或者齒輪油油使用兩年后采樣一次。對于發(fā)現(xiàn)運行狀態(tài)異常的齒輪箱根據(jù)需要，隨時采集油樣。齒輪油的使用年限一般為三至四年。由于齒輪箱的運行溫度、年運行小時以及峰值出力等運行指標不盡相同，籠統(tǒng)地以時間為限作為齒輪油更換的條件，在不同的運行環(huán)境下不一定能夠保證齒輪箱經(jīng)濟、安全地運行。這就要求運行人員平時注意收集整理機組的各項運行數(shù)據(jù)，對比分析油品化驗結(jié)果的各項參數(shù)指標，找出更加符合自己電場運行特點的油品更換周期。
我場在油品采樣時，考慮到樣品份數(shù)的限制，一般選取運行狀態(tài)較惡劣的機組（如：故障率較高、出力峰值較高、齒輪箱運行溫度較高、濾清器更換較頻繁）作為采樣對象。根據(jù)油品檢驗結(jié)果分析齒輪箱的工作狀態(tài)是否正常，潤滑油性能是否滿足設備正常運行需要，并參照風電機組維護手冊規(guī)定的油品更換周期，綜合分析決定是否需要更換齒輪油。油品更換前可根據(jù)實際情況選用專用清洗添加劑，更換時應將舊油徹底排干清除油污，并用新油清洗齒輪箱，對箱底裝有磁性元件的，還應清洗磁性元件，檢查吸附的金屬雜質(zhì)情況。加油時按手冊要求油量加注，避免油位過高，導致輸出軸油封因回油不暢而發(fā)生滲漏。
2. 齒輪箱運行過程中常見故障的處理
2.1齒輪油泵過載
常見故障原因： 齒輪油泵過載多發(fā)生在冬季低溫氣象條件之下，當風電機組故障長期停機后齒輪箱溫度下降較多，齒輪油粘度增加，造成油泵啟動時負載較重，導致油泵電機過載。
處理方法：出現(xiàn)該故障后應使機組處于待機狀態(tài)下逐步加熱齒輪油至正常值后再啟動風機，避免強制啟動風電機組，以免因齒輪油粘度較大造成潤滑不良，損壞齒面或軸承以及潤滑系統(tǒng)的其它部件。
注意事項：我場曾發(fā)生過冬季低溫工況下，直接啟動故障停機多日的機組，因齒輪油溫度偏低，粘度增大，使?jié)櫥到y(tǒng)工作壓力升高，波動較大，導致濾清器密封圈損壞，齒輪油外泄。
齒輪油泵過載的另一常見原因是部分使用年限較長的機組，油泵電機輸出軸油封老化，導致齒輪油進入接線端子盒造成端子接觸不良，三相電流不平衡，出現(xiàn)油泵過載故障，更嚴重的情況齒輪油甚至會大量進入油泵電機繞組，破壞繞組氣隙，造成油泵過載。出現(xiàn)上述情況后應更換油封，清洗接線端子盒及電機繞組，并加溫干燥后重新恢復運行。
2.2齒輪油溫度過高
常見故障原因：齒輪油溫度過高一般是因為風電機組長處于時間滿發(fā)狀態(tài)，潤滑油因齒輪箱發(fā)熱而溫度上升超過正常值。
處理方法：出現(xiàn)溫度接近齒輪箱工作溫度上限的現(xiàn)象時，可敞開塔架大門，增強通風降低機艙溫度，改善齒輪箱工作環(huán)境溫度。若發(fā)生溫度過高導致的停機，不應進行人工干預，使機組自行循環(huán)散熱至正常值后啟動。有條件時應觀察齒輪箱溫度變化過程是否正常、連續(xù)，以判斷溫度傳感器工作是否正常。
注意事項：若在一定時間內(nèi)，齒輪箱溫升較快，且連續(xù)出現(xiàn)油溫過高的現(xiàn)象應當首先登機檢查散熱系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)工作是否正常，溫度傳感器測量是否準確，之后，進一步檢查齒輪箱工作狀況是否正常，盡可能找出發(fā)熱明顯的部位，初步判斷損壞部位。必要時開啟觀察孔檢查齒輪嚙合情況或拆卸濾清器檢查有無金屬雜質(zhì)，同時采集油樣，為設備損壞原因的分析判斷搜集資料。
正常情況下較少發(fā)生齒輪油溫度過高的故障，若發(fā)生油溫過高的現(xiàn)象應當引起運行人員的足夠重視，在未找到溫度異常原因之前，避免盲目開機使故障范圍擴大，造成不必要的經(jīng)濟損失。
通過下列參數(shù)對比可以看出齒輪箱損壞前后，運行溫度變化較為明顯。運行人員發(fā)現(xiàn)溫度異常后登機檢查發(fā)現(xiàn)機組運行噪音變化不是非常明顯，但中箱體行星架處溫度明顯偏高，濾清器內(nèi)有2mm2左右的鱗片狀鐵屑和大量金屬粉末。后對該機解體后發(fā)現(xiàn)，高速軸軸承損壞后齒輪位移，導致行星架齒面嚙合異常而損壞。
由此可見，在風電機組的日常運行中，對齒輪箱運行溫度的觀察比較，對維護人員及時準確地掌握齒輪箱的運行狀態(tài)的改變有著較為重要的意義。
2.3齒輪油位低
常見故障原因：齒輪油位低故障是由于齒輪油低于油位下限，磁浮子開關動作。
處理方法：風電機組發(fā)生該故障后，運行人員應及時到現(xiàn)場可靠檢查齒輪油位，必要時測試傳感器功能。不允許盲目復位開機，避免潤滑條件不良損壞齒輪箱或者齒輪箱有明顯泄漏點開機后導致更多的齒輪油外泄。
注意事項：在冬季低溫工況下，油位開關可能會因齒輪油粘度太高而動作遲緩，產(chǎn)生誤報故障，所以有些型號的風電機組在溫度較低時將油位低信號降級為報警信號，而不是停機信號，這種情況下也同樣認真對待，根據(jù)實際情況作出正確的判斷，以免造成不必要的經(jīng)濟損失。
2.4齒輪油壓力低
常見故障原因：齒輪油壓力低故障是由于齒輪箱強迫潤滑系統(tǒng)工作壓力低于正常值而導致壓力開關動作。
處理方法：故障原因多是油泵本體工作異常或潤滑管路異常而引起，但若油泵排量選擇不準且油位偏低，在油溫較高潤滑油粘度較低的條件也會出現(xiàn)該故障。有些使用年限較長的風電機組因為壓力開關老化，整定值發(fā)生偏移同樣會導致該故障，這時就需要在壓力試驗臺上重新整定壓力開關動作值。
2.5相關故障
2.5.1剎車盤的變形
我場較早投運的部分中等容量機組，剎車盤先后出現(xiàn)較明顯的變形，直接影響到了低風速下風電機組的并網(wǎng)運行，經(jīng)與外方技術人員討論后認為，剎車力矩偏大，剎車時間較短，產(chǎn)生的熱量過于集中，先后將原先使用的15#液壓油換為32#液壓油，并換裝了剎車阻尼管，延長了剎車動作到機組制動的時間，同時更換了卡鉗式彈簧剎車體內(nèi)的疊簧，降低了剎車力，通過上述改進，新更換的剎車盤，目前未出現(xiàn)變形現(xiàn)象。同時，相對柔軟的剎車過程，也大大降低了整個過程對齒輪箱的沖擊載荷，剎車片的磨損也有所減輕，一定程度上節(jié)約了運行費用。
2.5.2液壓油位低
我場某臺600kw風電機組一段時間內(nèi)接連報液壓油位低故障，多次登機檢查未發(fā)現(xiàn)滲漏部位。經(jīng)分析認為有可能齒輪箱內(nèi)部的葉尖液壓管路發(fā)生泄漏。運行人員進一步檢查該機組齒輪箱，發(fā)現(xiàn)潤滑油油位偏高且油質(zhì)改變，經(jīng)油質(zhì)化驗發(fā)現(xiàn)潤滑油粘度降低。對齒輪箱內(nèi)部液壓管路進行的壓力實驗也發(fā)現(xiàn)管路存在輕微滲漏。
在對齒輪箱內(nèi)部液壓管路進行防滲處理之后，機組液壓管路恢復正常。由于故障的發(fā)現(xiàn)和處理較為及時，目測檢查齒輪表面未發(fā)現(xiàn)異�，F(xiàn)象，在重新更換潤滑油后，機組投入正常運行。
3.偏航減速器常見故障處理
偏航減速器的主要作用是驅(qū)動機艙旋轉(zhuǎn)，跟蹤風向的變化，偏航過程結(jié)束后又擔任著部分制動機艙的作用。工作特點是間歇工作起停較為頻繁，傳遞扭矩較大，傳動比高。因其工作特點及安裝位置限制，多采用蝸輪蝸桿機構(gòu)或多級行星減速機構(gòu)。我場風電機組的偏航減速器較多采用的是多級行星減速機構(gòu)。由多年的運行經(jīng)驗來看，采用雙偏航減速器驅(qū)動的風電機組，減速器的工作情況較為正常。而采用單電機驅(qū)動的風電機組，減速器的工作情況相對較差。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)部分故障機組的行星機構(gòu)存在疲勞裂紋或者斷裂損壞。比較典型的有：
a.某型150kw風電機組采用單側(cè)偏航減速器驅(qū)動，約四分之一機組的偏航減速器第二級行星架內(nèi)花鍵齒根存在不同程度的疲勞裂紋，部分花鍵齒斷裂。此外，偏航電機輸出軸鍵槽變形。經(jīng)分析認為：該型機組偏航剎車主要依靠偏航電機末端的電磁剎車，輔以尼龍阻尼剎車。機組運行期間整個偏航減速器承擔了大部分沖擊載荷，導致部分薄弱部位出現(xiàn)疲勞損壞。
b.某型600kw風電機組采用單側(cè)偏航速器驅(qū)動，對側(cè)采用減速機構(gòu)阻尼。其中一臺投運約三年半后輸出軸斷裂，解體發(fā)現(xiàn)行星減速機構(gòu)部分位置有輕微疲勞裂紋。該機組輸出軸斷裂前控制器的偏航剎車釋放指令輸出繼電器觸點接觸不良，造成偏航減速器在剎車未釋放狀態(tài)下強行偏航，因故障點較為隱秘，且故障現(xiàn)象不連續(xù)，未能及時處理解決。故障狀態(tài)時斷時續(xù)，持續(xù)了約有二十天左右后解決，約三個月后出現(xiàn)了輸出軸斷裂故障。經(jīng)分析認為：偏航減速器在剎車未釋放狀態(tài)下強行偏航，是導致輸出軸斷裂的主要原因，但從解體結(jié)果來看，該型風電機組的偏航減速器存在著設計余量偏小隱患，有可能進一步疲勞損壞。
時隔一年半后，同型風電機組的偏航減速器在運行期間出現(xiàn)異常噪音，輸出軸存在明顯的間隙，解體發(fā)現(xiàn)，減速器內(nèi)齒輪傳動機構(gòu)損壞嚴重，行星輪齒面斷裂，行星架內(nèi)花鍵損傷。經(jīng)初步分析認為：減速器內(nèi)部齒輪因疲勞出現(xiàn)斷裂，影響了其余齒輪的嚙合狀態(tài)，進一步損壞了整個齒輪傳動機構(gòu)。該機組從最后一次登機工作到故障發(fā)生間隔不到一個月，運行人員登機工作時未發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)有異常噪音，且檢查油位正常，其間也未發(fā)生過偏航電機過載故障，這就提醒運行人員對偏航減速器的日常檢查要更加認真細致，力爭做到防患于未然。
綜合兩種型號偏航減速器的運行情況可以看到，單側(cè)偏航減速器驅(qū)動的風電機組，偏航減速器的損壞概率較雙側(cè)偏航減速器驅(qū)動的風電機組偏高。在日常巡視檢查及維護保養(yǎng)時運行人員應當注意觀察偏航減速器的運行狀態(tài)，按時檢查油位，定期檢測偏航剎車殘壓，測試偏航剎車釋放功能和偏航電機熱繼電器的功能，對于尼龍阻尼的機組應合理調(diào)整接觸面間隙，加強接觸面的潤滑，避免出現(xiàn)偏航減速器長期重載或過載運行。
另外，在日常維護保養(yǎng)工作中運行維護人員還應當注意偏航減速器小齒輪與偏航齒圈的嚙合及潤滑情況，及時清理偏航剎車盤上的油污，保證足夠的剎車力矩，減少偏航減速器承受的沖擊載荷。對于部分新投運的機組還應當在投運之前及時將排氣口的密封堵頭換為排氣帽，避免減速器投運后潤滑油發(fā)熱膨脹而損壞箱體的密封性能。
4.技術改進
我場運行維護的某型500kW風電機組在額定功率附近工作時，齒輪箱的工作溫度普遍偏高，在過載運行過程中多次發(fā)生齒輪油過熱故障，電量損失較大，對運行也有不利的影響。
運行人員在日常的登機工作過程中感覺該型機組出力較高時，機艙內(nèi)的溫度偏高，經(jīng)過一段時間的測量觀察發(fā)現(xiàn)機組滿發(fā)運行狀態(tài)機艙內(nèi)的溫度與外界環(huán)境溫度最高可相差25℃左右。經(jīng)過討論，運行人員初步提出了兩種改進方案：
1.增加齒輪箱散熱器的片數(shù)，加快齒輪油熱交換速度。
2.改善機艙通風條件，加速氣流的流動，降低齒輪箱運行環(huán)境溫度。
經(jīng)過實際運行狀態(tài)下的煙霧實驗，發(fā)現(xiàn)該型機組機艙內(nèi)的氣體循環(huán)通路大致為：外界空氣由發(fā)電機尾部的冷卻風扇抽入，氣流到達機艙中部剎車罩上方時出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，在剎車罩上方形成一個高壓區(qū)，然后氣流向上行走，向機艙后部折返，通過機艙后部通風口排出。在齒輪箱周圍的空氣并沒有形成明顯的空氣對流。因此，風機在額定功率附近工作時，機艙溫度較高。
針對這一現(xiàn)象，并考慮到改造工作的成本，運行人員采用了第二種方案，在機艙正面加裝了兩扇20×20cm的通風窗。經(jīng)作煙霧試驗表明，改進后外界空氣直接由機艙正面吹入，進入機艙后將齒輪箱附近的熱空氣推向后方，通過機艙后部的通風口排出，不但直接對齒輪箱箱體進行了冷卻，而且加強了機艙內(nèi)的空氣流動，降低了齒輪箱工作的環(huán)境溫度。
1#機組在加裝通風窗后，在高風速滿發(fā)工作狀態(tài)下，齒輪箱油溫度降低了約2℃左右，機艙內(nèi)的溫度未采集；
2#機組在加裝通風窗后，在高風速滿發(fā)工作狀態(tài)下，齒輪箱油溫度降低了約4℃左右，機艙內(nèi)的溫度未采集；
3#機組在加裝通風窗后，在高風速滿發(fā)工作狀態(tài)下，齒輪箱油溫度降低了約6.8℃左右，機艙內(nèi)的溫度降低了約14℃左右；
該項工作結(jié)束后上述三臺機組的齒輪箱工作溫度都有所下降，基本未出現(xiàn)齒輪油溫過熱導致的停機現(xiàn)象，達到了預期的效果。
隨后，運行人員又在類似機型上進行了增加散熱器片數(shù)的實驗工作，經(jīng)過近半年的觀察對比，發(fā)現(xiàn)該機組在正常滿發(fā)狀態(tài)下，齒輪油溫度比同型機組降低了5℃左右，效果也比較理想。下一步計劃對個別已加裝通風窗但溫度仍略有偏高的機組再增加散熱器片數(shù)，力爭將齒輪箱的工作溫度控制在一個較為理想的范圍之內(nèi)，為齒輪箱的安全可靠運行創(chuàng)造良好的條件。
5．不同結(jié)構(gòu)類型齒輪箱運行中的技術狀態(tài)分析比較
我場運行維護的風電機組從齒輪箱結(jié)構(gòu)來分主要有獨立齒輪箱結(jié)構(gòu)和齒輪箱、風輪軸一體結(jié)構(gòu)。從潤滑方式來分主要有飛濺潤滑和壓力潤滑結(jié)構(gòu)。從風電機組運行維護的角度來看，各自的特點如下：
獨立齒輪箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：機組體積相對較小，齒輪油用量比同功率齒輪箱、風輪軸一體結(jié)構(gòu)的機組低50％左右，齒輪箱重量低30%左右。獨立齒輪箱結(jié)構(gòu)剎車過程較為平穩(wěn)，齒輪箱承受的沖擊載荷較小。
缺點：因為低速軸的存在，機艙結(jié)構(gòu)相對擁擠，需對低速軸軸承單獨進行潤滑。
齒輪箱、風輪軸一體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：因?qū)⒌退佥S與齒輪箱合為一體，機艙結(jié)構(gòu)相對寬敞，齒輪油直接對低速軸軸承進行潤滑，免去運行人員的維護任務。
缺點：體積較大，重量高，結(jié)構(gòu)相對復雜，造價較高。齒輪箱要直接承受來自葉輪的沖擊載荷，在剎車過程中齒輪箱也要承受較大的載荷，對齒輪箱自身質(zhì)量要求較高。
飛濺潤滑方式，結(jié)構(gòu)簡單，箱體內(nèi)無壓力，滲漏現(xiàn)象減少。但是個別潤滑點可能會因為油位偏低或冬季低溫潤滑油粘度增大，飛濺效果減弱而發(fā)生潤滑不良現(xiàn)象。
壓力潤滑方式，結(jié)構(gòu)相對復雜，潤滑管路由于存在壓力，關鍵潤滑點都有可靠潤滑，且油泵強制循環(huán)有利于齒輪油熱量均勻和快速傳遞。但是產(chǎn)生滲漏的概率也隨之增大。
從我場多年的運行經(jīng)驗來看，兩種結(jié)構(gòu)的齒輪箱在同等質(zhì)量水平下對于風機業(yè)主來說主要的區(qū)別在于潤滑油用量的差別，設備可靠性、日常維護工作量和齒輪箱損壞后的拆卸難度來看，沒有太大區(qū)別。
對于兩種不同的潤滑方式，主要取決于齒輪箱設計結(jié)構(gòu)的需要。但是，在寒冷地區(qū)采用飛濺潤滑方式更應當注意潤滑油的加熱問題，并加強油位監(jiān)測，對沒有潤滑油過濾裝置的機組還應當根據(jù)現(xiàn)場情況考慮加裝過濾裝置或定期濾油，以提高齒輪箱運行的可靠性。
對于在我場運行的國產(chǎn)齒輪箱，經(jīng)過一段時期的改進和調(diào)試，目前運行狀況較為穩(wěn)定，投運最長的機組已運行近三年半，單機累積產(chǎn)量近五百五十萬千瓦時，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。但是在運行過程中，發(fā)現(xiàn)仍存在一些不盡人意的地方：
⑴部分機組潤滑管路設計不合理（如：部分外敷管路距離箱體較遠，占用空間較大。）不利于維護，個別接頭仍有滲漏現(xiàn)象；
⑵個別機組齒輪箱內(nèi)部間隙較大，高速軸制動后，主軸因為葉輪慣性仍作左右轉(zhuǎn)動，有時可持續(xù)20秒種以上。此過程中潤滑系統(tǒng)已停止工作，而部分齒輪表面相互錘擊，可能造成齒面損壞；
⑶部分傳感器接頭采用航空插頭，可能會因為插頭松動或潤滑油污染，導致接觸不良；
⑷部分機組箱體表面光潔度不好，不利于清潔。
希望上述問題能夠為齒輪箱生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品質(zhì)量提供一些有益地幫助，我們期待著質(zhì)量更可靠、性能更優(yōu)異的國產(chǎn)化風電機組齒輪箱早日投入商業(yè)運行！
