摘要：对风力发电机组齿轮箱的常见故障做好分析，提前预防故障的发生具有重要的意义。本文论述了风力发电机齿轮箱故障及其改进措施。
关键词：风力发电；齿轮箱；故障；措施
齿轮箱是整个机组中传动部件,是一种在无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷共同作用下工作的重载齿轮传动装置,负责将叶轮在风力作用下所产生的低转速动力通过齿轮增速传递给发电机,并使其得到相应的转速来发电。由于齿轮箱安装在塔顶狭小的机舱空间内，一旦出现故障，维修困难，所以分析齿轮箱故障原因，提出故障改进措施有重要意义。
一、齿轮箱概述
齿轮箱是在风力发电机组中应用很广泛的一个重要的机械部件。其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。而风力发电机齿轮箱使用的是增速齿轮箱，增速齿轮箱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。
二、风力发电机组齿轮箱典型故障
风力发电机组齿轮箱在运转过程中，由于齿面啮合时所承受的载荷不均匀及轮齿啮入、啮出产生的冲击，会引起齿面点蚀、胶合、磨损和断齿等失效形式[1]。
1、齿面磨损。齿轮的磨损部位主要是渐开线工作面、齿的啮合处及齿轮两端面。齿轮齿面磨损一般分为四种情况，第1种是由接触表面上的金属以一定的速率缓慢的损耗而造成的正常磨损或磨光，在预期寿命内，它将不影响齿轮的正常使用；第2种是齿轮在长期的重负荷作用下发生的破坏，属于中度磨损，是金属的较快损耗，这种磨损会产生破坏并降低齿轮的使用寿命；第3种是齿面的损坏，容易降低轮齿的使用寿命，并导致平稳性受到破坏；第4是在齿轮高速运转的过程中，一些细颗粒进入到轮齿的啮合中引起损坏。
2、胶合。胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属现象。其产生的主要原因是齿轮箱在重载和高速传动下，在齿面高温啮合区产生的润滑不良或干涉，导致两个啮合的齿面熔焊在一起。
3、点蚀。齿轮实际切合过程中，在脉动力和重载荷的作用下齿面深处产生循环变化的剪应力，在超过轮齿材料的疲劳极限时，在齿面的接触面上会产生疲劳裂纹，进而导致齿面细小金属片的剥落，形成小坑，这种现象称之为点蚀，严重时齿面上会形成大块金属连片剥落。
4、断齿。轮齿折断常由根部细微裂纹在周期性应力作用下逐步扩展而成，齿轮在工作中发生严重的冲击、偏载、局部应力过大、硬质异物落入啮合区、材料严重缺陷等问题也会引起断齿现象。
三、齿轮箱建模
在工程应用中，齿轮传动系统模型的建立能在很大程度上节约成本，但建立模型的精确性是衡量建模意义的重要标准，否则不能准确反应实际工况，导致仿真无意义。目前一些研究为了缩小仿真工作量，在很大程度上简化了模型，这将极大地影响仿真结果，为能建立更加准确的模型，一方面要考虑齿轮箱的实际加工制造过程，包括材料、工艺等，还要考虑其运行环境对齿轮造成的影响。
在风机行星齿轮系的设计中，一般机组传动轴与齿轮箱行星架轴间利用胀紧套联结；输入轴大齿轮和中间轴大齿轮是以平键和过盈配合与轴联接；各齿轮轮齿和中间轴孔均有倒角；两个从动齿轮采用了轴齿轮的结构。对以上细节建模时均要考虑进去，另外为保证行星齿轮系能有正确的装配关系，使齿圈、行星轮和太阳轮的模数相同。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆建立模型后要对模型进行干涉检查，并进行相应运动仿真，通过判断其传动比是否正确进而证明模型几何关系的正确性。
四、齿轮动力学仿真
建立NX模型并进行运动仿真，对其仿真方案选取ADAMS求解器[2]，在实际运行过程中，由主轴带动行星架提供驱动，齿圈与箱体相连是保持固定不动的，行星轮既有自转运动也有公转运动，太阳轮及平行轴均做自转运动，另在运动仿真过程中齿轮副建立在旋转副基础上，并建立齿轮副的两个旋转副所在工件必须为同一工件，基于以上建立原则将齿圈设置为固定副，主轴行星架作为一个连杆设为旋转副，3个行星轮分别设置为旋转副并与行星架啮合，太阳轮和一级平行轴作为一个连杆设置为旋转副，输出轴设置为旋转副，在主轴上加载驱动，在输出轴上加载负载，将求解后生成的文件用Adams导入。
首先对主轴瞬间施加恒定载荷进行分析模拟风速变化瞬间工况，输入转速设定为60 r/min，负载转矩设定恒值为1×103 N·m，设置仿真时间为1s，Step-size为0.001，由施加恒定负载后输出轴的转速可知，在加载瞬间齿轮转速波动较大，随之转速趋于平稳，转速具有微小波动是由于齿轮表面摩擦等因素造成的微小振动导致的，同时，由于初始时刻加入了恒转矩负载，使初始时刻冲击较大，造成齿轮在受力上波动较大。由于风具有随机性，所以齿轮会在瞬间冲击的环境下工作，再加上风机齿轮在重载荷环境下工作，这将缩短齿轮寿命，容易造成齿轮故障或轴承故障，从而影响齿轮箱正常工作。
为进一步证明风速驱动给齿轮箱带来的危害，并寻求减小危害的方法，设定齿轮负载逐渐加载如下，输入转速设定为60 r/min，负载转矩设定为在0～0.2s时间内转矩由0增加到1000 N·m，则仿真函数为step(time，0，0，0.2，1000)，设置仿真时间为1s，Stepsize为0.001。将负载在0.2s时间内逐渐增加到最大值，可发现齿轮在初始时刻的冲击相对较小。这是由于轮齿初始啮合速度较慢，使轮齿啮合瞬间冲量较小，这样轮齿啮合受到的冲击力就相对较小。
由以上分析可知，恒转矩加载初始时刻，齿轮受到较大冲击，而加载瞬间就相当于齿轮在风速驱动下风速随机变化的瞬间，这将给齿轮随机造成冲击破坏；而当驱动缓慢加载时齿轮的冲击则相对较小，所以由以上可知通过改变风机齿轮箱加载方式或加装缓冲装置是减少故障率的最有效方法[3]。
因此，设计行星齿轮安装由支架、阻尼调节器、阻尼器、联动架和行星轮安装架组成，由于驱动的随机性带来的冲击由阻尼器来缓解，安装时可根据安装尺寸和风力发电机运行环境风力大小来调节阻尼调节器，进而使阻尼器提供较大的或较小的缓冲力，这样就可适应不同环境下的运行工况。
根据以上原理建立具有缓冲功能的行星架系统，将上述机构分别安装于行星架末端，由于联动架的调整作用，阻尼调节器几何特征所限及齿圈和太阳轮对行星轮的限制，在回转过程中会达到动平衡状态，可保证当阻尼器伸缩时，行星轮中心距离主轴中心的距离不变，这样就保证了行星轮能保持与太阳轮及齿圈正常啮合。另外，将行星架系统安装到齿轮箱中再次进行仿真实验，此时采用容易造成破坏的恒定负载瞬间加载的方式，证明了行星架上的缓冲装置能在很大程度上减小轮齿间的冲击，证明改善措施的有效性。
五、结语
风电机组一般安装在荒郊野外等偏远地区，增速箱等部件又安装于距地面几十米高度的狭小机舱内，因机舱空间有限、环境恶劣、交通不便，齿轮箱一旦出现故障，修复十分困难。因此，减小风电齿轮箱出现故障的机率，提供风电齿轮箱易维护性，将是风电齿轮箱运行维护中需重点考虑的问题。
参考文献
[1]靳晓东.关于风机齿轮箱常见故障的分析[J].电子技术与软件工程，2013(09).
[2]周永新．基于ADAMS的行星齿轮系统的仿真计算[J].电子机械工程，2014(03)．
[3]于良峰.风电机组齿轮箱故障分析及改进措施[J].风能,2014(10).
论文作者:孙成武 郝爱华
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年9月下
论文发表时间:2019/5/9
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