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摘要：一套可靠的润滑系统可以降低齿轮箱内部的运行摩擦阻力和能量消耗，减缓齿面和轴承的磨耗，延长零部件的使用寿命，从而保证设备长期稳定的正常运转。本文重点分析了齿轮箱润滑系统的常见故障，并提出相应的解决思路；同时，基于油液监测，结合相关案例分析，对润滑系统的状态监测方法提出了探讨。对风电齿轮箱日常维护、故障处理及状态监测有一定的参考价值。

关键词：润滑系统；故障分析；状态监测；风电齿轮箱

中图分类号：TK83 文献标志码：A

我国风电行业正处于飞速发展中，然而不能忽视的是，我国风电机组的研发、运维技术等，同世界先进水平相比尚有不小差距；加之风电机组主要建造在高山、荒野等恶劣自然环境中，实施日常维护与故障处理异常艰难。因此，确保风电机组可靠、稳定的长周期运转显得尤为重要。

风电齿轮箱作为风力发电机组中动力传输的核心装置，其作用是将风轮产生的机械能传递给发电机进行发电[1]。一旦齿轮箱发生故障，整台风电机组将不能正常运行。一套可靠的润滑系统可以降低摩擦阻力和能量消耗，减少表面磨损，延长零部件的使用寿命，从而保证设备长期稳定的运转，降低后期维护工作的难度和风险[2]。

因此，本文将针对齿轮箱润滑系统，研究其常见故障，并提出相应解决思路；同时结合案例分析，对润滑系统的状态监测方式进行探讨。

1 齿轮箱润滑系统简介

1.1 齿轮箱结构及工作原理

齿轮箱结构主要分为“主轴与齿轮箱集成一体式（如图1）”与“主轴与齿轮箱分离式（如图2）”两种。主体结构包括锁紧盘、箱体、润滑冷却系统，内部传动机构主要包括行星轮系与平行轮系。

在风电机组正常运行中，风作用于叶片，驱动风轮旋转，旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动，将动能传递至各级齿轮副，经多级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化为小扭矩、高转速的动能，再通过高速联轴器传递给发电机，发电机将输入的动能转化为电能并通过变流系统输送到电网。

1.2 润滑冷却系统的结构及作用

从图3所示的润滑冷却系统原理图可以看出其主要由以下几部分构成：

（1）泵单元：泵单元主要由电动泵和过滤器两部分组成。过滤器内部有精滤和粗滤两级滤网，在滤网的两侧设有压差继电器，可以对滤网的状态进行监控；另有部分齿轮箱配置有离线精滤装置。

（2）冷却单元：冷却单元主要是一个热交换器装置，当系统润滑油温度过高时，其将会被送到外部热交换器进行热量交换。

（3）连接管路及温控阀：连接管路将各齿轮箱部件连接成一个循环系统。温控阀控制润滑油的流向。

其中的元件代号分别表示：1、油泵及电机；2、过滤器；3、温度传感器；4、压力传感器；5、冷却单元；6、温控阀；7温度传感器；8、压力传感器；9、分配器；10、油池

风电机组齿轮箱润滑系统的作用主要包括以下两个方面：其一，为齿轮箱内部的轴承齿轮等提供润滑，减小机械磨损；其二，通过齿轮油将齿轮箱运行过程中所产生的热量带至润滑系统中的热交换器，进而与空气、冷却液等介质进行强制热交换，冷却后的润滑油回到齿轮箱可继续为轴承和齿轮提供润滑。良好的润滑不仅对齿轮和轴承起到保护，还具有如下作用[3]：

（1）减小摩擦和磨损，使齿轮工作面具有较高的承载能力，防止齿面胶合；

（2）吸收振动和冲击；

（3）防止金属表面疲劳点蚀；

（4）冷却、防锈和抗腐蚀。

2 齿轮箱润滑故障与解决思路分析

2.1 温控阀失效故障

齿轮箱润滑冷却回路设计一般是通过温控阀的动作来实现冷却油路的分配，温控阀阀芯内的温包根据感应温度的变化，从而使阀芯做出打开或截断油路的动作，控制原理如图4所示[4]。温控阀的分流直接决定齿轮箱油散热的流量，而流量又跟散热功率成正比，由于温控阀内部的温包可靠性较差，真实使用寿命较难估测，长的可达两三年，短的半年不到就可能会失效；其次，温控阀阀芯与阀体之间采用的是滑阀型式，其结构如图5所示，部分元器件易出现因密封性不佳而导致泄漏，难保证完全封闭[5]。温控阀的失效将使得齿轮箱油温过高，甚至会出现限功率运行或故障停机的现象。

结合温控阀的组成及工作原理，通过对温控阀故障情况进行总结，针对引起温控阀故障的主要原因，为提升温控阀可靠性，可采取如下措施：

（1）保证齿轮箱润滑油的清洁度，首先保证新加入的油液满足清洁度要求，其次监测运行过程中的油液，当滤芯报警达到更换条件时，及时更换；

（2）控制齿轮箱润滑油的工作温度范围，结合实际情况设定齿轮箱润滑系统的风扇启停条件，降低温控阀启停频率，提高其使用寿命。

（3）尝试采用电控阀或单向阀替代温控阀，两种设计方案优缺点如表1所示[6]，从可靠性、可维护性及经济性等角度综合考虑，单向阀方案性价比最优，是非常值得研究的方向。

2.2 冷却器冷却能力不足

从风电场反馈的机组历史运行情况来看，部分风机时常会出现齿轮箱油温偏高的问题，导致机组限功或停止运行。同时，高温极易造成润滑油氧化，而油氧化所产生的沉淀物和酸性物质，极易导致油路堵塞，加剧轴承、齿轮及阀芯等的磨损，影响润滑系统的正常运转，进而降低齿轮箱的使用寿命[7]。导致齿轮箱油温高的原因有很多，反映到润滑系统上面则主要表现为冷却器的冷却能力欠佳。

风电齿轮箱的运行环境一般都比较恶劣，经过长时间的运转后，散热器的散热片及冷却器进风口的滤网上往往会被杂质污垢覆盖住，从而导致散热效率的降低，如图6所示。其次齿轮箱润滑油长时间使用后，油品质量会逐渐发生变化甚至产生油垢，进而对散热效率也产生影响。另外，散热器通道中积累较多污垢后，会导致内部管路通径变小和冷却器散热能力下降，而管路内污垢的存在也增加了流体和传热面之间的传热热阻；因此对润滑油的品质定期做监测很有必要。

为解决其冷却能力不足，在冷却器设计之初就要保证散热功率大于齿轮箱发热功率，同时结合实际，合理选取散热效率、污垢系数及安全系数。

为保持齿轮箱润滑系统的正常工作，需满足条件P1 ≥ P；若此条件不成立，则表现为润滑系统散热能力不足，从而齿轮箱油温会偏高。

除考虑设计阶段的相关因素外，机组运维阶段需定期清理齿轮箱散热器散热片及冷却器进风口滤网上的污垢，以增大通风量。为方便散热器滤网上污垢清理，散热器厂家需考虑其产品结构相应的可维护性设计，如在进风口处设计独立的可拆卸式防尘网以降低清洗等维护工作的难度。

2.3 电动泵故障

电动泵故障主要表现为电机过热、电机过载、振动噪音较大等。

对于电机过热故障，主要存在以下几个方面的可能原因：（1）电压问题使电机过热，如电压过高或过低、三相电压不平衡等；（2）负载问题使电机过热，如电机过载运行、电机拖动的齿轮泵工作异常等；（3）产品自身问题造成的电机过热，如电机绕组断路或短路、机械故障等；（4）通风散热不良造成的电机过热，如进风口有污垢遮挡或内部杂质灰尘太多等。

解决思路：对于因电动泵构成零部件问题导致其不能正常运行，除了要在设计时系统考虑（如电机不超载、泵流量满足要求等），还需关注各零件质量可靠性并定期检测。对电动泵的驱动电机，也要定期做检测维护；散热器的污垢也要定期清理。

2.4 机械泵故障

机械泵的作用是为了在电动泵不工作的时候，继续对齿轮箱的轴承、齿面等进行供油，以减少相应的磨损。随着齿轮箱的长时间运行，其发生故障概率会不断增大，甚至需要更换。

机械泵常见的故障有振动噪音大、无法正常泵油、温度过高等。

机械泵振动噪音偏大的原因包括有机械泵增速主、被动齿轮安装误差偏大；泵体内部齿轮及轴承磨损严重；润滑油产生泡沫过多或是大量空气进入润滑油。

机械泵无法泵油的原因有机组停机时间过长后，进油管道内进入较多空气，里面的润滑油被排空；或者齿轮泵吸油管路设计不合理。该故障将使得机械泵内齿轮无法获得良好润滑及散热，最终导致机械泵温度过高甚至损坏。

解决思路：针对机械泵出现无法泵油的情况，在齿轮箱设计时要充分保证机械泵进油口管道不易太长和弯道不能太多，同时抽吸高度要合理布设。另为防止出现进油口内的润滑油因机组长时间停机被排空的情况，设计时可在进油口处增加存油弯道或者在进油口增加一根与齿轮箱分配器相连的油管，以保证机械泵一直处于充油状态。

对于因润滑油泡沫过多或大量空气进入润滑油而导致机械泵噪音偏大的问题，可在泵出口顺着转子轴转动的方向增设排气孔，当机械泵运行时，若进油口有空气，随着齿轮的转动，空气会通过排气孔到达齿轮箱，由此达到排气的目的。

2.5 润滑油问题

齿轮箱润滑油应具有良好的极压抗磨性能、冷却性能、抗乳化性能、低温性能以及热氧化稳定性等，同时还应具有较低的摩擦系数以减小齿轮传动中的能量耗损。根据机组齿轮油的性能基本要求，应定期检测分析的项目包括：运动粘度、水分、酸值、污染度、光谱元素分析等。润滑油指标异常原因分析及处理措施建议详见下表2所示[8]。

3 齿轮箱润滑油状态监测

3.1 油液检测主要内容

无论是轮齿断裂、齿面或轴承的磨损点蚀等，其产生的铁屑等磨损颗粒均会带入到润滑油中，同时润滑油的性能也直接关系和持续影响到齿轮箱内部机械件的润滑磨损状态。因此，对使用中的润滑油定期进行取样，分析其理化性能及磨损产物的变化情况，可较直观的反映出齿轮箱运行状态的变化趋势，有利于及早发现其运行存在的异常。

3.2 油液监测案例分析

某风电场一台已连续运行4年的风电机组，其每间隔6个月进行一次齿轮箱油液检测取样，每间隔12个月进行一次滤芯更换，在此期间，未开展过油液的更换。对所取油样进行常规的理化性能指标（粘度、酸值、污染度等）与光谱元素检测分析，其结果数据详见下表3所示。

从表3可知，该机组在刚运行时，铁含量相对较高，主要是因为齿轮箱运行初期内部各零件跑合磨损会产生相对较多的铁屑，然后逐渐下降并趋于平滑，到齿轮箱使用寿命后期则会因机械件疲劳、损耗等原因磨损情况又逐渐加剧，类似于“浴盆曲线”，如图7所示。

运行产生的铁屑大部分会随着每年滤芯的更换而带出箱体，因而运行逐渐平稳后，铁元素会逐渐下降并保持平稳。但表3中自第6次油检开始，铁元素含量持续上升，需重点分析查找原因。

后经齿轮箱内窥镜检查，发现齿轮箱内的部分轴承滚子、齿轮齿面均存在一定程度磨损，如图8所示。这也证明了持续的油液监测能够比较准确的反应齿轮箱的润滑磨损状况。

3.3 油液监测结合振动监测及内窥镜检查的探索

3.3.1 油液监测与振动监测联合应用

油液监测主要是通过分析机组在用齿轮油的理化性能指标及其携带的磨损颗粒等载体的变化，来获得齿轮箱的润滑情况及磨损信息，进而用以预警一些故障隐患并提供切实可行的维护类措施。振动监测主要是通过采集风机运行时各个部件对应测点的振动频率、幅值等参数并对其间歇性、周期性变化进行分析，综合评估齿轮箱的运行状态[9]。两种方法各有其优点和局限性，详见表4所示。

风电齿轮箱油液和振动监测联合应用的模式如图9所示，其以润滑油及其携带的杂质、设备运转时的振动信号为载体，通过分析油液润滑、设备磨损情况以及振动三者之间的关系，并结合常见的齿轮箱故障类型，可对齿轮箱油液和振动监测的联合应用作如下推论。

润滑不良是齿轮箱内部磨损的主要原因，磨损和振动是其故障的结果呈现形式，通过监测磨损和振动的异常及变化趋势，可以探究和确认设备的运行状态。

设备正常运行时，摩擦副之间的磨损以及振动信号均是正常的，而当设备出现异常故障时，其磨损和振动信号理论上都会出现一定程度的异常。通过捕捉分析油液、振动的相关数据特征，可判断设备有无故障及严重程度如何。

3.3.2 振动测试和内窥镜检查相互配合

常见的风电机组齿轮箱结构有一级行星+二级平行和二级行星+一级平行结构，也有部分结构属于复合行星轮系+一级平行的。由于齿轮箱内部结构复杂，运行工况多变，在对其进行振动测试时，振动信号容易受到各种背景噪声的影响，且每个振动测点中的频率成分均包含多个齿轮和轴承的复杂成分，必须通过详细的数据和频谱分析，才能有效识别齿轮箱的工作状态[10]。

利用工业内窥镜可对齿轮箱进行直观的检查，能有效识别检查到其内部齿轮和轴承的实际状况，但由于内窥镜视野存在局限性，且每一款型号的齿轮箱内部结构各不相同，给内窥镜检查增加了操作难度。

根据风电机组齿轮箱长期的振动测试和内窥镜检查的经验，先对齿轮箱进行振动测试分析，根据VDI 3834推荐的振动标准值对各测点振动状况进行识别，对超过对应报警值或危险值的具体部件位置再利用内窥镜进行全面检查，可有效、快速地获知对应部位现状，了解齿轮箱实际健康状况。

油液监测、振动监测、内窥镜检查的联合应用，可以互通有无、取长补短，通过技术上的交叉印证，在迅速定位设备故障位置、确保设备润滑安全方面体现了良好的协同作用，起到“既重发现，更重预防”的良好效果，发挥其在故障预警和隐患消除方面的多重优势，可切实提高设备管理水平，在风电机组齿轮箱故障预警中起到了积极作用，也为其他设备的状态监测模式提供了参考方向。

4 结论

本文通过分析齿轮箱润滑系统的常见故障，并提出了相应的解决思路；同时，基于油液监测，结合相关案例分析，对润滑系统的状态监测方法提出了探讨。得到如下结论：

（1）应结合实际情况设定齿轮箱润滑系统的风扇启停条件，适当降低温控阀的启停频率，可提高其使用寿命。同时，采用电控阀或单向阀替代温控阀也是值得研究的方向。

（2）冷却器在设计中，应充分考虑实际运行维护工况，在运行过程中需要定期清理散热片及冷却器进风口过滤网上的污垢，以增大通风量。

（3）齿轮箱油液的离线检测分析是评价齿轮箱润滑磨损状态的主要技术手段。离线检测具有精度高、指标全面、评价准确等优势，可以较好的实现油液理化状态甚至运动副磨损状态的评价。

（4）油液监测、振动监测、内窥镜检查的联合应用，可以互通有无、取长补短，可切实提高设备管理水平，在风电机组齿轮箱故障预警中起到了积极作用。

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申亮（1987.9-），男，中级工程师，主要研究方向为风力发电机组运维技术。