基于某風(fēng)電齒輪箱高速軸故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，閆鑫

基于某風(fēng)電齒輪箱高速軸故障的分析研究

文 | 王志勇，黎康康，符嘉靖，閆鑫

齒輪、軸承等旋轉(zhuǎn)部件作為風(fēng)電齒輪箱中的關(guān)鍵零部件，對(duì)使用工況、潤滑狀態(tài)及內(nèi)部清潔度等有著極高的要求，上述因素有任何改變或異常，都將對(duì)這些零部件的使用造成極大的影響，甚至導(dǎo)致齒輪或軸承失效，給整機(jī)廠商及風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主帶來巨大損失。

對(duì)于已經(jīng)成熟應(yīng)用的風(fēng)電齒輪箱來說，也時(shí)不時(shí)地會(huì)遇到一些重大故障，而引起故障的原因則可能僅僅是因?yàn)橐恍┱J(rèn)識(shí)上的不足而導(dǎo)致的應(yīng)用不當(dāng)，使齒輪箱的使用工況發(fā)生了微妙的變化。本文通過對(duì)一例風(fēng)電齒輪箱高速軸故障的分析，找出了引起該故障的原因。對(duì)比風(fēng)電齒輪箱在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各類情況，發(fā)現(xiàn)了存在類似情況的兩種應(yīng)用現(xiàn)象，通過分析找出了潛在風(fēng)險(xiǎn)并提出了規(guī)避的預(yù)防措施，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了參考。

某高速軸故障情況描述

某型號(hào)風(fēng)電齒輪箱在客戶總裝后進(jìn)行全功率測(cè)試，其中一臺(tái)在試驗(yàn)初期系統(tǒng)尚未加載時(shí)就發(fā)生了高速軸軸承高溫異常，并伴隨有異響的情況。經(jīng)拆解檢查，發(fā)現(xiàn)高速軸上風(fēng)向軸承已嚴(yán)重受損，如圖1所示，其他未見異常。

故障原因分析

根據(jù)該風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)、該受損軸承的安裝位置及運(yùn)轉(zhuǎn)受力情況可知，在正常工況下，該高速軸在斜齒的嚙合下旋轉(zhuǎn)，其將受到軸向力，此時(shí)，下風(fēng)向圓錐軸承將受到軸向推力與該軸的軸向力平衡，為主要承載軸承，上風(fēng)向圓錐軸承成為非主要承載軸承。該起故障的受損部件為非主要承載軸承，非常罕見。

該齒輪箱的使用過程，僅經(jīng)歷了全功率試驗(yàn)，為搞清該起故障的真正原因，遂對(duì)該齒輪箱的試驗(yàn)過程進(jìn)行了全面的調(diào)查。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該齒輪箱在試驗(yàn)過程中，曾出現(xiàn)了因設(shè)備故障而調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)順序的現(xiàn)象，其他過程沒有異常。遂對(duì)該過程進(jìn)行了認(rèn)真的研究。

而調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)順序，對(duì)于采用背對(duì)背電封閉的試驗(yàn)臺(tái)來講，因系統(tǒng)兩側(cè)的電機(jī)及配置基本對(duì)稱，理論上是完全可行的，并且在實(shí)際試驗(yàn)中也被大量應(yīng)用。風(fēng)電齒輪箱的加載試驗(yàn)臺(tái)大多都是這種配型，其在試驗(yàn)中是可以隨意進(jìn)行啟動(dòng)順序的調(diào)整的。

全功率試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其在結(jié)構(gòu)上與標(biāo)準(zhǔn)的背對(duì)背電封閉試驗(yàn)臺(tái)又存在一定的不同。在電機(jī)二和齒輪箱二間設(shè)置拖動(dòng)電機(jī)，為試驗(yàn)臺(tái)提供初始轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速達(dá)到1400rpm之后電機(jī)二并網(wǎng)，繼續(xù)提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，拖動(dòng)電機(jī)斷電隨系統(tǒng)一起空轉(zhuǎn)。電機(jī)一則根據(jù)試驗(yàn)的具體要求進(jìn)行是否并網(wǎng)動(dòng)作，最終完成空載或加載試驗(yàn)。拖動(dòng)電機(jī)的存在，打破了背對(duì)背加載試驗(yàn)臺(tái)的對(duì)稱關(guān)系。

分析該齒輪箱的試驗(yàn)過程可知：

一、正常的電機(jī)啟動(dòng)順序下

該試驗(yàn)過程，初始為拖動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)齒輪箱二，由齒輪箱二再拖動(dòng)齒輪箱一進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，之后電機(jī)二并網(wǎng)，轉(zhuǎn)為電機(jī)二拖動(dòng)齒輪箱二，依然是齒輪箱二拖動(dòng)齒輪箱一一起旋轉(zhuǎn)。整改過程的齒輪箱受力方向一致，不存在異常受力情況。

二、調(diào)整電機(jī)啟動(dòng)順序后

該試驗(yàn)過程，初始為拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪箱二，由齒輪箱二再拖動(dòng)齒輪箱一進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，之后電機(jī)一并網(wǎng)，開始由電機(jī)一拖動(dòng)齒輪箱一旋轉(zhuǎn)，并由齒輪箱一拖動(dòng)齒輪箱二一起旋轉(zhuǎn)，該過程發(fā)生了齒輪箱受力的突然反向，異常受力的情況由此發(fā)生。

由于電機(jī)一的并網(wǎng)導(dǎo)致了齒輪箱的受力突然反向，此時(shí)，最早受到?jīng)_擊的，必然是高速軸。

齒輪箱受力發(fā)生突然反向，齒輪箱內(nèi)部的齒輪必然發(fā)生了受力接觸齒面的變更，即由一側(cè)齒面接觸變更為另一側(cè)齒面接觸。因該齒輪箱的齒輪均為斜齒，必然也導(dǎo)致了齒輪軸的軸向力發(fā)生反向。

當(dāng)高速軸的軸向力發(fā)生反向時(shí)，該齒輪軸上的軸承受力情況也隨之發(fā)生了突變，即上風(fēng)向軸承由非主要承載狀態(tài)突然變?yōu)槌休d狀態(tài)，而此時(shí)系統(tǒng)及軸承都還在高速旋轉(zhuǎn)（1400rpm），且運(yùn)行時(shí)間不久，尚無達(dá)到溫度平衡狀態(tài)，因此，該高速軸的這對(duì)軸承游隙仍未正值，即存在一定的軸向間隙。對(duì)上風(fēng)向軸承而言，在受力發(fā)生變更前，其滾子、保持架處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)（非主要承載狀態(tài)），軸承的滾子與內(nèi)外圈滾道沒有完全接觸；在受力狀態(tài)突然發(fā)生反向時(shí)，其滾子、保持架將在高轉(zhuǎn)速情況下突然與軸承的內(nèi)外圈完全接觸并受載，變?yōu)槌休d狀態(tài)，同時(shí)，又由于軸承存在正游隙，其必將發(fā)生軸向的竄動(dòng)，滾子、保持架存在無法復(fù)位或復(fù)位不良的可能，并可能產(chǎn)生滾道或滾子的損傷，進(jìn)而引起軸承的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)及異常摩擦，引起軸承迅速發(fā)熱，最終導(dǎo)致軸承溫度過高，使?jié)L子、保持架相互咬合，引發(fā)故障。

故障分析結(jié)論及思考

通過對(duì)故障原因的分析，可基本認(rèn)定導(dǎo)致該起高速軸故障的最大可能就是試驗(yàn)過程中的電機(jī)啟動(dòng)順序變更導(dǎo)致的高速軸受力方向發(fā)生突然反向。該過程引發(fā)了軸承受損，并最終導(dǎo)致了故障的發(fā)生。

風(fēng)電齒輪箱作為一個(gè)重要的傳動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)經(jīng)過了嚴(yán)格的計(jì)算，為防止其受到?jīng)_擊時(shí)損壞而預(yù)留了較大的安全裕度，當(dāng)其受力突然反向時(shí)，即使沖擊力不大，還是造成了如此大的損傷，有些讓人難以接受。然而，科學(xué)的分析又讓我們不得不承認(rèn)，如果是不當(dāng)操作，哪怕很小，后果都可能極其嚴(yán)重。

既然齒輪箱受力突然反向可引發(fā)如此嚴(yán)重的后果，由此聯(lián)想到了風(fēng)電齒輪箱的整個(gè)試驗(yàn)過程及使用過程，是否還存在類似的操作或隱患，應(yīng)該如何預(yù)防，需要引起大家的足夠重視。

一、本文所提試驗(yàn)過程的電機(jī)啟動(dòng)順序變更

分析過程不再累述。如何預(yù)防？

方法一，禁止電機(jī)的啟動(dòng)順序變更。這是最直接、最簡單的方法，投入也最小。但還是存在一定的安全隱患，比如誤操作，且限制了試驗(yàn)臺(tái)的靈活性，無法隨意調(diào)整主陪試齒輪箱。建議通過完善硬件或軟件的方式，設(shè)置防誤操作的功能，徹底杜絕該類問題的發(fā)生。

方法二，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取消拖動(dòng)電機(jī)，直接由電機(jī)二進(jìn)行連接，此時(shí)，無論用電機(jī)一還是電機(jī)二拖動(dòng)，另一只電機(jī)只需加載即可，不會(huì)再出現(xiàn)齒輪箱受力反向的情況。該方法比較徹底，效果最好。

二、調(diào)試或應(yīng)用以及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中制動(dòng)盤制動(dòng)

由于系統(tǒng)傳動(dòng)鏈較長，受系統(tǒng)剛度及齒輪側(cè)隙等影響，在高速軸被抱死停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后的一段時(shí)間內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)葉輪及齒輪箱內(nèi)的整個(gè)傳動(dòng)鏈發(fā)生劇烈的正反向沖擊，該過程必然會(huì)伴隨多次齒輪、軸承的正反向受力變化，對(duì)齒輪、尤其是軸承將造成極大的損傷。

預(yù)防措施一，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，尤其是在高速狀態(tài)下，要禁止直接進(jìn)行制動(dòng)盤制動(dòng)。該方式也比較直接，但靈活性較差。

預(yù)防措施二，通過軟硬件的方式，設(shè)定制動(dòng)策略，禁止將齒輪箱一次性制動(dòng)至靜止?fàn)顟B(tài)，而是要在齒輪箱轉(zhuǎn)速降低至很低時(shí)，在高速軸靜止前再將制動(dòng)盤釋放，由齒輪箱自由停機(jī)，杜絕出現(xiàn)齒輪箱受力突然反向的情況。該方式實(shí)現(xiàn)

過程較為繁瑣，成本較高，但最有效果，可完全規(guī)避緊急制動(dòng)對(duì)齒輪箱造成的傷害，取消風(fēng)電齒輪箱對(duì)緊急制動(dòng)次數(shù)的限制。

三、風(fēng)輪鎖銷未完全鎖緊狀態(tài)下的停機(jī)

由于風(fēng)輪鎖銷未完全鎖緊，風(fēng)輪仍可在小范圍內(nèi)進(jìn)行輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪將與風(fēng)輪鎖銷發(fā)生撞擊、回彈。由于風(fēng)電齒輪箱的傳動(dòng)比較大，風(fēng)輪的輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，將導(dǎo)致后部輪系的大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪的撞擊、回彈，導(dǎo)致輪系的頻繁正反向旋轉(zhuǎn)，也必然導(dǎo)致軸承頻繁的受力突然反向，對(duì)軸承造成較大的損傷。

預(yù)防措施，就是如果需要鎖上風(fēng)輪鎖銷，則務(wù)必將其完全鎖緊，防止風(fēng)輪出現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)語

風(fēng)電齒輪箱，作為風(fēng)電機(jī)組中的重要傳動(dòng)部件，與其內(nèi)部的軸承、齒輪等重要傳動(dòng)零件，對(duì)使用工況、操作步驟及所處的狀態(tài)都有極高的要求。本文通過對(duì)一起高速軸應(yīng)用故障展開分析，發(fā)現(xiàn)引起該故障的原因，僅僅是因?yàn)檎J(rèn)識(shí)上的一個(gè)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的應(yīng)用不當(dāng)。由此展開類比分析，發(fā)現(xiàn)類似的應(yīng)用不當(dāng)，還存在于多種場(chǎng)合，需要引起同行的足夠注意。

由于齒輪箱受力的突然反向，對(duì)齒輪尤其是軸承的傷害極大，同時(shí)，因該傷害發(fā)生在齒輪箱的內(nèi)部，不易察覺，往往會(huì)被忽視，而一旦傷害達(dá)到一定程度被發(fā)覺時(shí)，往往已造成了較大的損失。因此，需要同行在應(yīng)用過程中，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，同時(shí)，對(duì)各類故障進(jìn)行認(rèn)真分析，找到引起故障的根源，并做到舉一反三，查找是否還存在其他類似的潛在故障，進(jìn)行有針對(duì)性地改進(jìn)及預(yù)防，消除潛在隱患，提高系統(tǒng)整體的應(yīng)用安全性及可靠性。

（作者單位：王志勇，黎康康，符嘉靖：中戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司；閆鑫：中車戚墅堰機(jī)車有限公司）