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规范的应用维护保证风电齿轮箱的高可靠性

        引言:目前,我国风电装机台数已达9万余台,其中双馈及半直驱机组7万余台(国内风机双馈机组占比为77%,全球风机双馈机组占比为81%, 数据来源: MAKE咨询),风电齿轮箱是此类风机的核心部件,规范的应用维护是保证风电齿轮箱高可靠性的前提。
风电齿轮箱全寿命周期的应用及维护
        风电齿轮箱的维护及应用从齿轮箱发货时已经开始,包含运输及存储、装配调试、并网运行三个阶段。风电齿轮箱的维护及应用的品质直接影响齿轮箱的可靠性。
运输及存储阶段
        风电齿轮箱在运输过程中应做好齿轮箱的包装箱,避免外力的因素损坏油管、冷却风扇以及电机等部件,包装箱应采取防水、防腐措施,避免由于天气变化产生的水污染齿轮箱。齿轮箱在包装箱中必须固定,降低齿轮箱的振动,应选用振动较小的运输方式,运输过程中应将齿轮箱放置在振动较小或可以避免振动的位置。特别注意的是风电齿轮箱不允许使用铁路运输。风电齿轮箱应当储藏在一个干燥的、空气流通较好、没有振动的地方,需要有除湿措施,避免由于温度变化产生的水汽凝结在零件表面,严禁室外存放。应当有避免灰尘及其它杂质进入齿轮箱的保护罩,且保护罩内应有防腐剂保护,避免输出轴及加工表面受到腐蚀。齿轮箱不能直接和水接触,例如雨水、雪,即便在短暂的运转过程中也不可以。当风电齿轮箱存放超过供应商规定的最大存储时限时,需要重新进行防腐处理,该防腐处理主要包括齿轮箱冲洗和重新刷防锈油,具体需要按照制造商的要求执行。齿轮箱的腐蚀是一个不可逆的过程,会极大的影响齿轮箱的使用寿命,所以防腐在齿轮箱的运输及存储中是至关重要的。既然提到防腐,除了齿轮箱本身的防腐外,与其配套的机舱的密封性能,同样会对齿轮箱的运行带来极大的影响,不良的机舱密封,会导致齿轮箱处于与设计要求不符的环境条件下运行,例如风沙、湿气等都会对齿轮箱的正常运行产生极大的负面影响,所以,风电齿轮箱是否能够得到良好的应用和维护,须从风力发电机的设计源头就开始着手考虑。

装配调试阶段
        风电齿轮箱的装配主要有齿轮箱支撑的装配、主轴连接的装配、高速轴连接的装配、齿轮箱加油以及电气件的接线。风电齿轮箱装配前需要首先去除安装面的防锈剂,这一步是十分关键的。齿轮箱支撑的装配需要确保齿轮箱的本体不能与固定在风机底架的刚性支撑接触,避免额外的载荷施加到齿轮箱上。在一款海外的1.5MW机型上就出现过齿轮箱主体与固定在风机底架的刚性支撑接触的案例,最终导致齿轮箱行星级的失效。如果是收缩盘连接方式的齿轮箱在安装主轴时不建议加热行星架,即使必须使用加热的方式安装也需要确保加热的温度不能超过120℃。高速轴连接的安装需要确保对中的精度,对中精度差会导致齿轮箱高速轴在并网发电过程中偏载,影响使用寿命。既然说到对中的问题,那么就不得不说机架本身的变形对传动链对中的影响,所以在风机设计阶段需要对传动链及风机机架的刚度做系统性的评估。另外齿轮箱需要按照要求定量的加油,过多的油量会导致齿轮箱的漏油,根据统计,85%以上的风电齿轮箱低速级漏油是由于加油过多导致。过少的油量会影响齿轮箱的冷却、润滑效果,还会导致油品发泡过多,影响齿轮箱的使用寿命。
并网运行阶段
        由于风电齿轮箱为精密的机械传动设备,在使用前应仔细阅读齿轮箱制造商提供的使用说明书和维护保养手册,确保能够在使用期间按照正确的方式对齿轮箱进行日常的维护保养,风电齿轮箱并网运行中的应用及维护需要做到实时的监控、定期的检查、及时的更换以及专业的评估,才能保证风电齿轮箱稳定、可靠的运行。
        实时的监控在风机应用维护中显得尤为重要,应严禁为保证发电量而屏蔽部分传感器信号。实时监控的前提是风机控制策略的正确性,风机控制策略中涉及风电齿轮箱的监控数据通常包括压力、温度、转速、功率、油位,这些信号的控制设置值必须参照原制造商的要求值进行设置,否则会产生各种报警影响齿轮箱的运行。例如:轴承报警温度值设置偏低,导致风机满功率运行时经常停机;低温型风机风扇的启动温度设置偏低,导致润滑油不能通过冷却器达不到冷却效果而发生齿轮箱高温报警等。需要重点关注的是低温型风机的低温启动控制策略,低温启动必须按照低温启动的必要条件启动,过早的启动润滑系统会导致电机的烧毁、电机联轴器的碎裂,过早的并网发电会导致齿轮箱在不良的润滑中运行加速齿轮和轴承的失效。控制策略中应该避免长时间的锁死风机,长时间的锁死风机会导致齿轮箱的接触齿面长期缺油状态下磨损,出现停车纹(standing still mark),使齿轮箱出现异常的振动噪音甚至最终导致断齿。长期锁死风机的原因是多种多样的,而齿轮箱作为连接风力发电机组输入和输出端的重要传动设备和承载部件,机舱内任何一个零部件损坏导致的长时间停机都可能造成停车纹的产生,严重影响齿轮箱的正常运行。另外,控制策略应避免高转速下直接通过高速级刹车系统制动,通过高速级刹车系统制动会对齿轮箱造成极大的冲击载荷,极大缩短齿轮箱的使用寿命,严重的甚至会产生齿轮过载折断、轴承挡边断裂等失效模式。增加振动监控能显著的提高对风电齿轮箱监控的效果,风机中增加振动监控系统在风电行业的发展中是一个必然的趋势 。
        风电齿轮箱定期的检查应包含风电齿轮箱是否漏油、油位是否正常、目视检查齿面是否正常、振动水平、噪音水平等,除了风电齿轮箱本体以外,检查还应该包含整个传动链与齿轮箱相关联的部件,包括主轴轴承、弹性支撑、高速轴联轴器等,这些检查经常是被忽视的,但是这些相关部件的失效会给齿轮箱带来非常恶劣的影响。例如:三点支撑结构的风机,弹性支撑体的失效或塑形变形会引起齿轮箱的偏心而最终导致齿轮轴承的偏载失效;主轴轴承的失效或轴向定位松动使得齿轮箱承受轴向载荷而加速行星架轴承的失效;电机联轴器的屏蔽不好会导致齿轮箱齿轮及轴承的过电流腐蚀等。
        及时的更换是指对易损易耗件的更换,主要包括滤芯、空气过滤器、润滑油、温控阀以及橡胶件。这些易损易耗件的更换不及时,都可能产生系统性的问题而影响齿轮箱的寿命。例如:滤芯的更换不及时会导致齿轮箱油品清洁度达不到要求,影响齿轮及轴承的润滑效果,导致压痕、划伤、点蚀发展至断齿,而且会缩短温控阀的使用寿命,导致温控阀频繁失效。这其中润滑油及时更换的重要性时常不被风机拥有者理解,油品的清洁度、氧化、水含量、抗泡性、酸值等特性达不到要求会影响齿轮和轴承的润滑,导致齿轮和轴承出现早期磨损、微点蚀、点蚀、剥落甚至断齿。因不舍这些预期的更换维护费用而导致风机出现更严重的失效,损失数倍甚至数十倍的维修费用、发电量损失显然是不明智的。
        专业的评估是指齿轮箱出现各种报警或异常时对齿轮箱状态的评估、故障排查、处理方案的确定以及后续运行建议,这需要较高的专业技能,可以委托原制造商或者其他有资质的第三方完成。
结论
        在风电齿轮箱维保的预防性管理的基础上,规范的应用及维护风电齿轮箱,才能保证风电齿轮箱的高可靠性,保证风电场的发电效率,创造更高的经济效益。

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