劉宇

(深能北方(錫林郭勒)能源開發(fā)有限公司　內(nèi)蒙古　錫林郭勒　026000)

【摘　要】風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。但由于國內(nèi)風(fēng)電齒輪箱的研究起步較晚，技術(shù)薄弱，特別是兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱，主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)。因此，急需對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行自主開發(fā)研究，真正掌握風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化目標(biāo)。本文主要討論的是兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)機(jī)齒輪箱；維護(hù)

1　引言

縱觀社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)作為推動(dòng)力，當(dāng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展到足夠的階段時(shí)，將帶來人類社會(huì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這一事實(shí)，在二十世紀(jì)表現(xiàn)的越來越明顯，這一推動(dòng)力的作用越來越突出。

從能源、電力產(chǎn)業(yè)看，二十世紀(jì)九十年代，世界能源、電力市場(chǎng)發(fā)展Z迅速的已不再是石油、煤、天然氣，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源異軍突起。全世界風(fēng)力發(fā)電容量在1990年的200萬千瓦，2009年一年內(nèi)全球新增風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量就已達(dá)到3750萬千瓦，而截止到2011年3月7日，我國的風(fēng)電裝機(jī)總量有4182.7萬千瓦，首次超越美國成為世界上風(fēng)電大國。因此，就新能源、電力方面而言，二十一世紀(jì)將是可再生能源的世紀(jì)，能源、電力的開發(fā)利用將面臨歷史的變革。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)世界發(fā)展趨勢(shì)，能源產(chǎn)業(yè)尤其是電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然選擇風(fēng)能等可再生能源和新能源。

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊(yùn)藏量巨大，全球風(fēng)能資源總量約為2萬億千瓦，其中可利用的風(fēng)能為200億千瓦。中國可開發(fā)利用的風(fēng)能資源有10億千瓦，其中陸地2.5億千瓦，現(xiàn)在僅開發(fā)了不到0.2%;近海地區(qū)有7.5億千瓦，風(fēng)能資源十分豐富。陸上風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區(qū)以及東南沿海地區(qū)。三北地區(qū)可開發(fā)利用的風(fēng)力資源有2億千瓦，占全國陸地可開發(fā)利用風(fēng)能的79%。由此可見中國風(fēng)力資源是十分豐富的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可開發(fā)的水電和火電資源量。

近年來隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，以及風(fēng)電機(jī)組的投行時(shí)間的逐漸累積，由齒輪箱故障或損壞引起的機(jī)組停運(yùn)事件時(shí)有發(fā)生，由此帶來的直接和間接損失也越來越大，因此對(duì)分離發(fā)電機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)十分重要。維護(hù)人員投入相關(guān)工作的工作量也有上升趨勢(shì)，這就促使越來越多的風(fēng)電場(chǎng)開始加強(qiáng)齒輪箱的日常監(jiān)測(cè)和定期保養(yǎng)工作。

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在國內(nèi)作為一種新興的發(fā)電企業(yè)形式因其具有自身的發(fā)展和生產(chǎn)性質(zhì)特點(diǎn)，要求員工必須有較高的專業(yè)知識(shí)、技術(shù)業(yè)務(wù)水平和必要的技能技巧，因此做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)，此論文的書寫對(duì)本人現(xiàn)在以及今后工作具有重要意義。

2　風(fēng)電及齒輪箱的發(fā)展趨勢(shì)

2.1　風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢(shì)

2.1.1　機(jī)組單機(jī)容量增大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大有利于提高風(fēng)能利用率，降低風(fēng)場(chǎng)的占地面積，降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本，從而提高風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，上主流的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到(2-3)MW，由德國公司研制的Z大的5MW 風(fēng)電機(jī)組已投入運(yùn)行，其旋翼區(qū)直徑達(dá)到126米。可以預(yù)見，(3-5)MW的風(fēng)電機(jī)組在市場(chǎng)中的比例將日益提高。2008年2月在布魯塞爾舉行的風(fēng)能會(huì)議和風(fēng)能展上，有與會(huì)者甚至提出了2020年前開發(fā)出20MW風(fēng)電機(jī)組的概念。

2.1.2　海上風(fēng)電迅速興起海上風(fēng)能資源豐富，且受環(huán)境影響小，海上風(fēng)電場(chǎng)將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國家海上風(fēng)電發(fā)展較快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2020年，歐洲海上風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到70000MW。雖然海上風(fēng)電前景廣闊，但目前還有技術(shù)等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面，海上風(fēng)電機(jī)組均為陸上風(fēng)電機(jī)組改造而成，而復(fù)雜的海上自然條件使得風(fēng)電機(jī)組的故障率居高不下，如世界Z大的海上風(fēng)電場(chǎng)丹麥霍恩礁風(fēng)電場(chǎng)，80臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組故障率超過70%。另一方面，電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)所提供的巨大電能。因此，海上風(fēng)電的大發(fā)展仍需要解決機(jī)組及上網(wǎng)配套設(shè)施等方面的問題。

2.1.3　變速恒頻技術(shù)快速推廣目前市場(chǎng)上恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組一般采用雙繞組結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電機(jī)，雙速運(yùn)行。在高風(fēng)速段，發(fā)電機(jī)運(yùn)行?較高轉(zhuǎn)速上;在低風(fēng)速段，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速上。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，可靠性高;缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)速基本恒定，而風(fēng)速經(jīng)常變化，因此機(jī)組經(jīng)常處于風(fēng)能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風(fēng)能無法得到充分利用。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機(jī)組。與恒速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相比，變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有發(fā)電量大、對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性好、生產(chǎn)成本低、效率高等?點(diǎn)。因此，變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組也是未來發(fā)展的趨勢(shì)之一。德國公司是目前全球生產(chǎn)變速風(fēng)電機(jī)組Z多的公司。

2.1.4　全功率變流技術(shù)興起近年來，歐洲的公司都開發(fā)和應(yīng)用了全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍達(dá)到了0～150%的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍，改善了風(fēng)場(chǎng)上網(wǎng)電能的質(zhì)量。德國公司還將原來對(duì)每個(gè)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補(bǔ)償。全功率變流技術(shù)將在今后大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)得到推廣應(yīng)用。

2.1.5　直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組采用多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，免去故障率較高的齒輪箱，在低風(fēng)速時(shí)效率高，且具有低噪聲、高壽命、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)份額增長(zhǎng)較塊，但由于技術(shù)和成本等方面的原因，在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)帶增速齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍將在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)之間的一種驅(qū)動(dòng)方式，它采用一級(jí)齒輪箱增速，結(jié)構(gòu)緊湊，具有相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動(dòng)相比，半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機(jī)艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。

2.2　風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展趨勢(shì)

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風(fēng)電裝備制造業(yè)的繁榮，風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組中Z重要的部件，倍受國內(nèi)外風(fēng)電相關(guān)行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

風(fēng)機(jī)增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電整機(jī)的配套產(chǎn)品，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)重要的機(jī)械傳動(dòng)部件，它的重要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風(fēng)電技術(shù)的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風(fēng)口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的作用，故對(duì)其可靠性和使用壽命都提出了比一般機(jī)械產(chǎn)品高得多的要求。

風(fēng)電行業(yè)中發(fā)展Z快，Z有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達(dá)國家，在風(fēng)電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達(dá)國家早已開發(fā)出單機(jī)容量達(dá)兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并且技術(shù)相對(duì)成熟，具有比較完善的設(shè)計(jì)理論和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且商業(yè)化程度比較高，因此在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中處于明顯的優(yōu)勢(shì)和主導(dǎo)地位。

盡管上齒輪箱設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的Z主要原因，約占風(fēng)機(jī)故障總數(shù)的20%左右，由于我國商業(yè)化大型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)上較歐美等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家存在報(bào)大差距。我國在九五期間開始走引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的路子，通過引進(jìn)和吸收國外成熟的技術(shù)，成功研發(fā)出了兆瓦級(jí)以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2.3　齒輪箱相對(duì)于風(fēng)電的意義

風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊(yùn)存量巨大，具有實(shí)際開發(fā)利用價(jià)值。大量風(fēng)能開發(fā)不可能靠某個(gè)部門或行業(yè)的財(cái)政補(bǔ)貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場(chǎng)的要求，也是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動(dòng)力的部件，在運(yùn)行期間同時(shí)承受動(dòng)、靜載荷。其動(dòng)載荷部分取決于風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)的特性和傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機(jī)的外部工作條件。

開發(fā)新能源是國家能源建設(shè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中Z成熟、Z具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

2.3.1　由于我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎(chǔ)研究積累和人才，我國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)為主。目前國內(nèi)引進(jìn)的技術(shù)，有的是國外淘汰的技術(shù)，有的圖紙雖然先進(jìn)，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術(shù)、工藝、材料等原因，導(dǎo)致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進(jìn)國外風(fēng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦級(jí)增速齒輪箱，是加速我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2.3.2　增速齒輪的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的命運(yùn)。因此，要加強(qiáng)齒輪的研究，對(duì)齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機(jī)械效率，提高齒輪的運(yùn)行可靠性。

2.3.3　增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算和加工方法。兆瓦級(jí)增速齒輪對(duì)漸開線齒輪傳動(dòng)提出了新的要求，在尺寸、重量Z小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運(yùn)動(dòng)，這就對(duì)齒輪分析的計(jì)算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動(dòng)、噪聲及修形等研究的基礎(chǔ)。因此，建立準(zhǔn)確的分析模型，準(zhǔn)確求解受載輪齒的載荷分布對(duì)修形規(guī)律的研究具有重要意義。

3　齒輪箱的運(yùn)行與維護(hù)

3.1??輪箱

風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，在多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電要求，必須通過齒輪箱齒輪副的作用來實(shí)現(xiàn)增速，故也將也將齒輪箱稱之為增速箱。

3.1.1　齒輪箱的構(gòu)成

常用齒輪副：直齒和斜齒圓柱齒輪和行星齒輪。實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主齒中，Z常見的是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構(gòu)成的。

3.1.2　安裝要求

齒輪箱的主動(dòng)軸與葉片輪轂的聯(lián)接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機(jī)聯(lián)接時(shí)，應(yīng)采用合適的聯(lián)軸器，Z好的彈性聯(lián)軸器，并串接起來保護(hù)作用的安全裝置。齒輪箱軸線上和與之相連接的部件的軸線應(yīng)保證同心，其誤差不得大于所選用聯(lián)軸器的齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉(zhuǎn)力。齒輪箱安裝后用人工搬動(dòng)應(yīng)靈活，無卡滯現(xiàn)象。打開觀察窗蓋檢查箱體內(nèi)部機(jī)件應(yīng)無銹蝕現(xiàn)象。用涂色法檢驗(yàn)，齒面接觸斑點(diǎn)應(yīng)達(dá)到技術(shù)條件的要求。

3.1.3　運(yùn)輸和存儲(chǔ)

存儲(chǔ)一般我們是在干燥通風(fēng)的環(huán)境當(dāng)中，地面保持水平，齒輪箱要安放平穩(wěn)，齒輪箱保持一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)。另外又要做好防銹處理，還有不能露天存放，有一些風(fēng)場(chǎng)因?yàn)榇鎯?chǔ)條件不好，經(jīng)常把齒輪箱放到露天的，這很容易出問題。還有天氣狀況，根據(jù)天氣狀況，我們要每6-12個(gè)月重新涂抹一下防銹劑，環(huán)境條件應(yīng)該保持在空氣濕度低于70%，溫度一般在18到45度之間。存儲(chǔ)中，齒輪箱上的孔需要加蓋油脂。特別是在運(yùn)輸，運(yùn)輸當(dāng)中我們這個(gè)也要重視，就是有一些物流公司我們?cè)谶\(yùn)輸?shù)臅r(shí)候特別之前要檢查一下它的資質(zhì)，是不是用過齒輪箱，還有包裝，固定非常重要，因?yàn)辇X輪箱的跌落也是我們經(jīng)常遇到的一個(gè)情況，造成齒輪箱不必要的損失。

3.1.4　齒輪箱的維護(hù)

一般來說，潤(rùn)滑油在齒輪箱里面是一個(gè)Z重要的，我們?cè)诰S護(hù)和保養(yǎng)方面必須要引起足夠重視的這么一個(gè)，就是對(duì)齒輪箱維護(hù)保養(yǎng)影響比較大的因素。新機(jī)運(yùn)行250小時(shí)，需要做次的油樣分析，半年以后再做一次，三年以后，根據(jù)油樣分析的結(jié)果決定是否要更換潤(rùn)滑油。更換油的時(shí)候，首先要更換同型號(hào)，同品牌，如果同型號(hào)，同品牌做不到，我們必須做互溶性的試驗(yàn)。濾芯需要12個(gè)月更換一次，日常維護(hù)一般來說1-3個(gè)月，比如檢查齒輪箱的箱體外觀，螺栓，包括管路等。更換油濾，必須要觀察油濾上是不是有鐵屑，如果堵塞，油濾必須要更換，說明這個(gè)潤(rùn)滑油里面是有問題了，就是要詳細(xì)檢查各個(gè)齒輪的部位。

另外，檢查磁棒，齒輪箱里面我們一般在外部設(shè)一個(gè)磁棒伸到齒輪箱的內(nèi)部，如果磁棒干凈，我們?nèi)庋塾^察齒輪箱里面沒有問題，如果上面吸附了很多的金屬粉末，或者鐵屑，說明某一個(gè)部位磨損嚴(yán)重。磁堵，齒輪箱的各個(gè)部委都會(huì)設(shè)置一些磁堵，如果干凈，或者沒有問題。空氣濾芯，也是很重要的一個(gè)部件，我們首先檢查它是否干凈，如果它有堵塞，或者非常贓，需要馬上更換。還有長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)和齒輪箱長(zhǎng)時(shí)間的存放，我們必須要每3個(gè)月手動(dòng)盤車數(shù)圈，增加潤(rùn)滑，并防止靜止壓痕。還有機(jī)械泵長(zhǎng)時(shí)間存放的時(shí)候也必須做好潤(rùn)滑。內(nèi)窺鏡檢查是我們對(duì)齒輪箱內(nèi)部進(jìn)行檢查的一個(gè)有效手段。一般我們通過內(nèi)窺鏡可以看到各個(gè)部位軸承的狀況，包括齒面的狀況，包括肉眼從觀察口看不到的這些地方。

3.1.5　齒輪箱常見故障

主要的故障分為九類，類我們可以看到是齒輪的損傷，第二類是軸承損傷，第三類是鋼體的開裂，第四個(gè)是銹蝕，第五是滲漏油，第六、螺栓斷裂、第七、機(jī)械泵損壞，第八、異響和振動(dòng)，第九、油溫和油壓的異常。

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來源：《風(fēng)電技術(shù)》