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  风电齿轮箱结构类型与工作原理 及其维护、使用和故障分析 重庆重齿风力发电齿轮箱有限责任公司 刘其勇 2006.12.7 概述 ? 风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、风叶 控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组 成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到 动力传输的作用,使叶片的转速通过增速 齿轮箱增速,使其转速达到发电机的额定 转速,以供发电机能正常发电。因此增速 齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发 电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制, 要求体积小,重量轻,性能优良,运行可 靠,故障率低。 ? 随着风电行业的发展,更多更大功率的机 组投入商业化运营,因而其维修费用更高。 虽然世界上著明的齿轮箱制造企业,如德 国的Renk公司,Flender公司,JA/KE公 司,Eickhoof公司以及一些中小企业在这 方面都作了研究,并且有的企业也付出了 很大的代价,但目前世界风电行业所用增 速齿轮箱仍然事故较多。因此,采用先进 技术,分析其它企业失败的原因,总结和 吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验, 研制高技术性能,高可靠性和良好的可维 修性的增速齿轮箱是兆瓦级风力发电机组 的关键技术保障。 一、风电齿轮箱的传动结构类型与工作原理 64.5 600KW齿轮箱1 600KW齿轮箱2 800KW齿轮箱1 800KW齿轮箱2 1000KW齿轮箱 z61Xm4 1500KW齿轮箱 齿轮箱工作原理(以600KW齿轮箱为例) ? 齿轮箱的结构原理图见上图。结构上采用行星— 平行轴混合传动的紧凑结构;低速级转速低,扭 矩大,采用行星传动,且主要以太阳轮浮动均载 为主。第二级、第三级扭矩小得多,采用斜齿传 动,能有效的保证叶尖高压油通道。其具体原理 为:首先,通过风带动叶片转动,叶片把转速传 到输入轴(1)上。通过输入轴(1)上的花键把 力矩传到行星架(2)上,行星架通过内齿圈(3) 行星轮(4)和太阳轮(5)组成的行星传动传到 太阳轮(5)上,太阳轮(5)通过另一端的花键 把力矩传到大齿轮(6)上,大齿轮(6)通过齿 轮传动把力矩传到齿轮轴(7)上,齿轮轴(7) 通过轴上的大齿轮把力矩传到输出轴(8)上。输 出轴(8)通过输出轴轴伸端把力矩和转速传到发 电机上,供发电机发电。 二、齿轮、轴承润滑机理 ? 齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接 触,这中间是靠润滑油建成油膜,使其形成非接 触式的滚动和滑动,这时油起到了润滑的作用。 虽然它们是非接触的滚动和滑动,但由于加工精 度等原因使其转动都有相对的滚动摩擦和滑动摩 擦,这都会产生一定的热量。如果这些热量在它 们转动的过程中没有消除,势必会越集越多,最 后导致高温烧毁齿轮和轴承。因此齿轮和轴承在 转动过程中必须用润滑油来进行冷却。所以润滑 油一方面起润滑作用,另一方面起冷却作用。 ? 对于风电齿轮箱,对于所有的齿轮和轴承 我们都要采用强制润滑。原因有: ? 1、强制润滑可以进行监控,而飞溅润滑是 监控不了的。从安全性考虑采用强制润滑。 ? 2、现在风电齿轮箱功率越来越大,其功率 损耗也越来越大,因此飞溅润滑已经满足 不了冷却的作用。这是需要进行强制润滑。 ? 下为润滑实例:(以1500KW齿轮箱为例) 平行级齿轮的润滑 三、风电齿轮箱的损坏类型及其判断 损坏部件 齿轮 轴承 轴 箱体 紧固件 油封 故障比例(%) 损坏表现形式 60 断齿、点蚀、胶合、磨损、疲 劳裂纹、其他 19 烧伤、滚珠脱出、保持架变形 10 断裂、磨损 7 变形、裂开 3 断裂 1 磨损 ? 上表中列举了齿轮箱中各类零件损坏的百 分比。由表可见,在齿轮箱中齿轮本身的 故障所占比重大,为60%。说明在齿轮传 动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其 运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加 工中是一种高度复杂的成形零件,而在高 速、重载下运行的齿轮,其工作条件又相 对比其他零部件恶劣。 齿轮轮齿 损伤原因 1. 疲 劳 1. 局部断齿 2. 过 载 3. 冲 击 1. 过 载 2. 磨 损 2. 润滑剂不洁 1. 齿面硬度低 3. 点 蚀 2. 过 载 3. 载荷不均 4. 胶 合 1. 供油不良 2. 齿轮精度低 3. 温度过高 4. 齿面硬度低 1. 疲 劳 5. 齿根疲劳裂纹 2. 过 载 3. 齿根圆角处热处 理或加工缺陷 图示为齿轮主要故障形式及其原因 不能运转 1.齿 轮 轮 齿 2.齿 轮 轮 体 3.轴、联轴节、键 1.断 齿 2.严重胶合 3.杂物进入 1.齿圈断裂 2.变形损坏 1.损 伤 4.轴 承 5.齿 轮 箱 6.动 力 源 7.其 它 1.烧 伤 2.滚柱脱落 3.杂物进入 严重损伤、变形 故障不能运转 轴承、联轴节损坏 齿轮的故障特征预估障间的关系 四、风电齿轮箱的使用、维护和检查 ? 以1500KW齿轮箱为例说明: 1 、运行前的检查: ? 1.1安装完后,所有多余材料、工具、安装用的工 装设备都应拿走。 ? 1.2连接螺栓是否拧紧。 ? 1.3齿轮箱壳体的连接螺栓是否拧紧。 ? 1.4手动盘车有无阻滞现象。 ? 1.5油量是否达到油标刻度。从减速箱的通气帽处 加入规定的清洁润滑油,注油时用不少于80目的 滤网过滤,以防杂物进入箱内。滑油用量约260L。 2 、试运转 ? 齿轮箱出厂前已进行过空载试验,建议用户在齿 轮箱首次运行前10小时内注意下列事项: – 检查齿轮、轴承供油是否正常,吸油是否畅通。 – 在运转过程中,每30分钟记录一次油温及轴承 部位温度。 – 注意齿轮箱有无异常声响,检查箱体各接合面 和各可能的泄漏点是否渗油,并及时采取措施, 排除故障。 – 在总计运行10小时后,检查机座螺栓和各连接 部位螺栓,必要时予以紧固,检查所有可能的 泄漏点;检查油位,必要时补充润滑油。 3、润滑系统使用要求 ? 润滑油牌号:Mobil SHC XMP 320 ? 润滑系统由供油装置、过滤系统、油/风冷 却装置及中间连接管路组成。 ? 控制原理图如图: 3.1控制要求: – 机组未启动时若油温⑩低于10℃时,电加热器 ②启动,电动泵③每隔30分钟启动工作5分钟。 油温⑩高于15℃,电加热器②停止加热,电动 泵③工作,机组启动。 – 机组启动温度必须在油温⑩高于10℃。 – 电动泵③出口压力10bar,安全阀设定压力 16bar,出口油压过高(超过16bar)时,安全 阀打开。 – 过滤器⑤最高工作压力16bar,安全阀设定压 力14bar,当过滤器⑤进口与出口压力差值超 过3.5bar时(在油温⑩超过40℃时才测定,信 号采集至少90分钟),传感器发出信号且红灯 亮(绿灯表示工作正常)。 – 风冷器⑥工作压力25bar,最大允许流量 140L/min,风冷器⑥的风扇电机在油温>60℃或 高速轴轴承温度⑾>75℃时打开,足球大赢家油温回落至 50℃且高速轴轴承温度⑾<70℃时,风冷器⑥的 风扇电机停止运转。 – 压力控制器⑦的压力监测范围为0.5-6bar,不在 此范围内时报警(油温70℃时压力要求≥0.5bar, 油温低于10℃时压力要求≤6bar),若压力< 0.5bar时,报警持续超过5秒则停机。 – 液位下降至设定值时液位开关⑨发出报警信号。 – 油温⑩温度不允许超过70℃,否则齿轮箱停机。 – 高速轴轴承温度⑾不允许超过80℃,否则齿轮箱 停机。 3.2安装要求 ? 供油装置应安装在齿轮箱附近,泵吸油管 越短越好,其长度以不大于1米为宜。 ? 为保证冷却效果,油/风冷却装置应安装在 通风处。 ? 中间连接管路按相关的液压、润滑安装规 范进行安装,保证各连接处不泄漏。 ? 供油装置投入运行前,必须确认齿轮箱内 部清洁度达到ISO4406 17/15/12级,润滑 油清洁度等级达到ISO4406 17/15/12级。 3.3使用与维护 3.3.1首次启动时应注意油泵电机转向是否正 确。 ? 过滤系统入口处设有测压点,可用测压表 (用户自备)检测泵的出口压力。 ? 过滤系统上装有滤油器污染发讯器,当滤 油器进出油口压差达到3.5bar时,污染法 讯器发出电讯号,同时污染发讯器上也有 灯光显示,此时应及时更换滤芯。如果更 换滤芯不及时,滤油器进口压力达到14bar 时,滤油器旁通阀将会开启,此时滤油器 将失去过滤作用,齿轮箱必须停止运转! 3.3.2滤芯的更换过程: ? 更换滤芯时必须确认供油装置处于停机状 态,滤油器必须卸压(压力表显示0bar状 态)。可以通过拧松滤筒底部的排油螺塞 卸压(工作时必须拧紧)。 ? 更换滤芯步骤: ? 旋下滤筒,取出旧滤芯。 ? 清洗滤筒,把新滤芯装上,旋上滤筒。 ? 旋紧滤筒,再回松1/4圈。 ? 更换滤芯后,重新启动工作,注意观察压 力表工作压力。足球大赢家 3.3.3旁路过滤 ? 当齿轮箱长时间运行后,箱体内部润滑油 会逐渐污染,底部沉淀颗粒状污染物。为 提高润滑系统清洁度,延长过滤器使用寿 命,可对齿轮箱进行旁路冲洗过滤。旁路 过滤装置由用户自备,箱体上预留有安装 接口。 3.3.4低温启动 ? 冬季低温状态时机组启动必须考虑油液的 加热。当油温低于-10℃时可通过电加热器 将油温升到10℃以上;当油温低于-10℃至30℃时由于润滑油粘度太大,则应采用专 用的低温旁路加热系统加热油液。低温旁 路加热系统由用户自备,箱体上预留有安 装接口,该接口与旁路过滤装置接口共用。 4、齿轮箱维护 4.1 检查螺栓和螺母是否紧固 ? 所有在表(一)中列出的螺栓联接必须检查是否紧 固。在表(一)中包括这些螺栓的相关数据,例如 扭矩和扳手尺寸。 ? 并不是所有的螺栓都需要一一检查,要检查的数目 在表中也有指出。 ? 如果在齿轮箱中重复出现相同规格的螺栓,那么在 表中只列出一次。 ? 检查螺栓联接必须使用经过校正的扭力扳手和液压 扳手。 ? 如果被检查的螺栓数目少于实际数目,那么在这些 检查过的螺栓上必须作标记,下次检查其它的螺栓。 ? 如果在检查的螺栓中有一个因松动而达不到指定扭 矩,那么所有的螺栓都必须检查。 表(一) 螺栓的拧紧力矩 螺栓 用扭力扳手的力矩 N.m 大小 8.8 级 10.9 级 M8 21 30.4 M10 42.1 60.8 M12 73.5 104.9 M14 114.7 166.6 M16 176.4 254.8 M18 250.8 356.7 M20 357.7 509.6 M22 480.2 676.2 M24 617 872.2 M27 902 1284 M30 1215 1735 M36 2127 3018 M42 3391 4831 M48 5145 7321 M52 6615 9408 M56 8232 11760 M60 9996 14308 M64 12348 17542 M68 14896 21168 12.9 级 36.3 74.5 128.4 203.8 310.7 431.2 617.4 833 1058 1568 2127 3695 5929 8918 11466 14308 17444 21364 25872 用传统冲击扳手的力矩 N.m 8.8 级 10.9 级 19.6 27.9 39.6 55.9 67.6 97 107.8 154.8 166.6 235.2 233.2 331.2 333.2 470.4 441 637 568 813.4 843 1196 1137 1617 1970 2813 3146 4488 4782 6811 6174 8771 7644 10927 9310 13279 11466 16317 13818 19698 12.9 级 34.3 68.6 119.6 189.1 289.1 401.8 568.4 774.2 980 1460 1970 3440 5508 8330 10682 13328 16219 19894 24010 4.2 腐蚀状况和泄漏情况检查 ? 检查所有部件的腐蚀状况。如果发现外表 面有腐蚀,必须立刻按照覆盖层说明书对 该部件进行处理。 ? 检查所有部件,特别是齿轮箱、液压系统、 刹车和油液泄漏。必须排除泄漏并找出到 泄漏原因。必须更换损坏部件并清理被污 染的区域。 4.3 运行的异常噪音检查 ? 必须检查运行部件的异常噪音,要特别注 意主轴轴承、刹车装置在运行中的噪音。 4.4 齿轮箱 ? 在维护齿轮箱之前,必须使风机安全停机, 并确保不会因为误操作而启动(确保刹车 可靠和风轮锁紧)。 4.4.1 检查齿轮箱是否有异常噪音 ? 运行时是否有异常的噪音。 4.4.2 检查油位 ? 从油标检查齿轮箱的油位。 4.4.3 检查齿轮箱是否有泄漏 ? 检查所有的凹槽、迷宫环和泄漏油液的流 迹。 4.4.4 检查油液状况 ? 在500小时后必须进行油液的抽样检查,不 管运行状况如何抽样的时间不能迟于一年。 抽样检查油液对于评定各种油液的特性 (粘性、老化水融性等)是非常重要的。 油液检查后的结果应该告诉你的油液供应 商。 ? 更换油液 ? 如果使用矿物油必须每2年更换一次,如果使用人 工合成油必须每3年更换一次;油液若从外观上就 发现变性,应该立即更换。 ? 油液更换时,必须使用和先前同一牌号的油液。不 允许使用混合油或不同生产厂家的油液。要特别指 出的是,人工合成油并不是不同矿物油或其它不同 油液的简单混合。如果从矿物油换到合成油,或是 从合成油换到矿物油,在注入新油液之前必须彻底 清洗齿轮箱。 ? 在更换油液时,为了清除箱底的杂质、铁屑和残留 油液,齿轮箱必须用新油液进行冲洗。高粘度的油 液必须进行预热。新油液应该在齿轮箱彻底清洗后 注入。 ? 注意: ? 旧的油液应该在停机后齿轮箱冷却之前尽快排出。 ? 换油步骤: ? 在放油球阀下放置合适的积油容器。 ? 卸下箱体顶部的空气滤清帽。 ? 把油槽及凹处的残留油液吸出,或用新油进行冲洗, 这样也可以把油槽中的杂质清除干净。 ? 清洁位于放油堵头处的磁铁。 ? 拧紧放油堵头(检查油封: 堵头处受压的油封可能 失效,必要时可更换油封)。 ? 卸下观察盖板进行检查。 ? 将新的油液过滤后注入齿轮箱 (过滤精度: 30 ?m以 上) 。 必须使油液液位达到液位计的标注刻度处,以 保证可以轴承和齿轮润滑可靠。 ? 检查油位(油液必须加到油标的中部)。 ? 盖上观察盖板,装上空气滤清帽。 4.4.5 检查齿轮 ? 检查有可能损伤的齿轮啮合面。 4.4.6 清洁空气滤清帽 ? 必须每年清洁空气滤清帽,先拧下空气滤 清帽,然后用清洗剂进行清洗,待干燥后 在拧上。 4.4.7 检查齿轮箱的弹性支撑是否有损伤 ? 必须检查弹性支撑的磨损状况,是否有裂 缝以及老化情况。如果发现有明显的老化 痕迹,必须予以更换。 4.4.8 润滑冷却循环系统 4.4.8.1 检查系统是否有泄漏 ? 检查所有的接头和油管是否有泄漏。 ? 必须排除所有的泄漏并找到泄漏原因。 4.4.8.2 检查软管是否老化 ? 检查在润滑冷却循环系统中的软管是否老 化,是否有裂纹。 ? 如果发现软管的表面有老化痕迹和过多的 裂纹,必须进行更换。 4.4.8.3 检查各传感器开关是否工作正常 ? 如果传感器失灵或损坏,请立即更换。 4.4.9 安全刹车 4.4.9.1 检查刹车圆盘的外表面以及上面是否有油污 ? 必须确保刹车圆盘上没有油污。如果发现有油污,必须找到 原因并加以排除。并且必须更换制动块。 4.4.9.2 检查圆盘表面:必须保证圆盘表面平整,圆盘边缘没有 条纹状裂纹,如果发现有问题,圆盘和制动块必须更换。 4.4.9.3 检查制动块 ? 必须定期检查制动块的磨损情况,确保各制动块有1mm的 摩擦层(也就是说保证圆盘和制动块之间有2.25mm的间 隙)。 4.4.9.4检查刹车夹钳 ? 检查刹车夹钳是否有油污,或者其它黏附物,任何污染物都 必须清除。 ? 检查刹车夹钳的腐蚀状况。如果发现有腐蚀地方必须清除, 并对腐蚀区域加以防护 。 附录 运行维护表 附表一 500小时运行维护清单 日 期: 年 月 日 项目 内容 标准 记录 齿轮箱/支撑连接 检查全部 螺栓 齿轮油 检查油位 齿轮油过滤器 检查 以油标尺、油位传感 器为依据 无“91 Gear oil filter 闸盘连接螺栓 检查全部 刹车连接螺栓 检查全部 高速刹车闸垫 检查、调整 闸间隙 闸垫厚度大于2mm; 闸间隙0.8mm 附表二 2500小时运行维护清单 日 期: 年 月 日 项目 内容 齿轮箱/底座连接螺栓 检查全部 齿轮箱底座/底板连接螺 检查全部 栓 闸盘连接螺栓 检查全部 闸盘支架/齿轮箱 检查全部 标准 记录 附表三 5000小时运行维护清单 日 期: 年 月 日 项目 内容 标准 齿轮箱油位 齿轮箱油过 滤器 检查油位 Mobilgear SHC XMP 320每隔3 年更换一次油,每隔1年检测油 品的质量 如报故障须更换 滤芯 记录 谢谢!




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