随着风电机组运行时间的延长，由于风电场环境恶劣，齿轮箱的故障越来越频繁出现，诸如漏油，齿面点蚀、剥落、断齿、异常磨损，轴承跑圈、滚道点蚀、剥落等现象。
导致出现上述缺陷因素很多，包括制造因素：齿轮箱结构设计、载荷计算、轴承选型、材料选择、制造加工、出厂前的试车及清洁等;运行因素：控制策略、监控措施、维护方法;环境因素：气候、变化无常的风况;控制因素：任何一个环节控制不到位，均会导致隐患，从微小缺陷扩展成大缺陷，从而引起机械部分不可逆的损坏。因此，风电机组齿轮箱从出厂到淘汰报废，我们要以全寿命周期管理理念，通过精心维护、科学管理来降低齿轮箱损坏率及下架率、缩短恢复时间，实现齿轮箱长寿命健康运行，提高机组利用率。
现状调查
中国可再生能源学会风能专业委员会的资料显示，国内装机数量截至到2015年9月已超过8万台，双馈型机组按照市场总容量估算约占5万-6万台。这个数量也就是齿轮箱运行台数，其中近4万台左右已在2012年前投入运行。
经粗略估算，从2011年开始，齿轮箱年度下架率在逐年上升，如图1所示。
图1所示的比例计算是基于所有在运行的齿轮箱台数。若只按运行超过3年的齿轮箱数量为基数计算的话，下架率数值超出图1中数值1倍以上，而且之后有急剧增加的趋势。
图1 近4年齿轮箱年度下架率
损坏原因概略分析
齿轮箱损坏下架的原因很多，通过调查及数据统计，缺陷主要表现为：齿轮断齿，齿面点蚀、磨损、剥落，内齿圈断裂，行星轮损坏卡死，轴承磨损、内外圈跑圈等。
引起这些缺陷的直接原因主要是因为齿部接触不良，出现偏载，局部应力过大、引起微裂纹并逐步扩展，致使齿面烧伤、点蚀、剥落，导致齿的局部断裂。而引起这些现象的间接原因与设计制造、材料及热处理、运行维护、控制策略、环境等因素都可能有关。每一台齿轮箱下架具体情况会不同，但一般来说，制造初始缺陷是潜在诱因，在使用过程中若载荷复杂、维护不当、不及时跟踪处理会加速缺陷扩展。
需停机处理的故障主要集中在管路漏油、高速轴、电动泵、油温油压报警、滤芯、冷却系统、轴承及异响。这些故障会直接造成齿轮、轴承润滑不良，若不及时处理会引起齿轮和轴承出现缺陷并扩展，甚至会导致下架。通过几年统计分析，表现出的主要故障分布情况如图2所示。
图2 齿轮箱故障率占比
全寿命周期内运行维护及管理要求
从出厂起，到运行维护、监控、故障处理、备件储备，以及结构优化等每个环节均需加强管理。做好前期控制，及时发现问题、尽早处理，预防为主、防治结合，严格执行齿轮箱专项检查，建立齿轮箱状态跟踪档案，不断完善故障处理方法。
一、出厂前的试验、清洁
齿轮箱装配完成，必须严格按照检验规范进行整箱检验，按试车规范进行加载试车。循环跑油后，尤其要保证出厂前的清洁度，达到齿轮箱清洁度要求，严格按采购方和制造方双方技术协议要求进行相应取样检测，严禁有大的金属铁屑、杂物残留在齿轮箱内，否则上天运行后，过滤系统在短时间内不能完成全部过滤，甚至某些残留物至始至终都不能通过过滤系统过滤。残留铁屑会在齿轮箱运行过程中对齿面、轴承滚道进行挤压，导致压痕、磨痕。
对新出厂齿轮箱加注新润滑油时，新油的清洁度需达到ISO4406 17/15/12标准，否则需经过过滤。由装配单位对每批次新齿轮箱润滑油的清洁度进行合适比例的抽检，抽检样本送具有资质的检测机构检验，并将所有检测结果进行建档。
二、存放和停机要求
(一)塔下存放
若齿轮箱出厂后需长时间放置，必需制定相关存放要求，并严格执行。
(1)环境要求：做好防水、防潮、防尘措施以及内外零件防腐蚀;
(2)定期进行内部油管、齿轮、轴承锈蚀的检查，空滤状态及失效检查;
(3)按规定做维护保养：齿轮箱存放一段时间后，按要求去除内部零件的灰尘、水汽、锈蚀后，润滑系统加油、通电，启动油泵进行泵油循环，并以适当速度盘动高速轴;
(二)塔上停机
当风电机组不发电时，如机组吊装完成后以及后期运行临时停机，需对齿轮箱做好相关保护。
(1)如果传动链必须被锁死，连续锁住时间不能太长，一般不超过一周。因为锁紧销与锁紧盘存在间隙，叶轮的晃动会导致齿轮副啮合齿的来回摆动，时间过久会在啮合处产生微动磨损。
(2)空转时，需限制转速，一般控制在300rpm以内，且保证齿轮箱内部零件的足够润滑。
三、加强日常运行维护管理
做好日常巡检、定期维护，是风电场目前降低齿轮箱故障率的主要手段。必须按照主机厂商作业指导书如《风电机组齿轮箱全寿命周期内运行维护指导书》内容保质保量地进行维护工作，确保齿轮箱良好润滑。按检查难度、周期性要求、齿轮箱结构特点制定维护项目，包括：日常巡检、每季度项目、半年检查项目与年度检查项目。严禁屏蔽齿轮箱油温、油压、油位、滤芯堵塞等报警信号，遇到报警未查明原因和解决之前，禁止为保发电量而启机运行。在设计上报警不停机的信号，也需尽快处理，不能延误和遗忘。当风电机组报其它错误时，风电场运行人员首先尝试的处理方法为远程复位(夜间值班期间尤为突出)。这种做法并不合适。少量误报故障确实可通过复位消除，但频繁的自动复位动作只会增加对齿轮箱的冲击，加速齿轮、轴承的疲劳损坏，缩短齿轮箱服役时间。因此，出现报警信号时，应停机检查，及时找到问题原因并彻底处理。
四、专业检测及周期更换项目
(一)振动测试
通过专用的仪器工具，按照规定的监测点进行间断或连续的监测，掌握设备异常的征兆和劣化程度，判断故障的部位和原因并预测设备今后的技术状态变化，提前发现故障症状，以降低经济损失。如果没有安装在线振动测试设备，则可采用离线设备采集数据进行分析。该项工作应定期开展，测试频次至少每年1次，建议和齿轮箱内窥镜检查项目一起进行。监测点一般选在齿轮箱输入轴、行星轮、中间轴、输出轴。如果发现齿轮箱内部有异常情况，还可临时安装在线振动测试设备阶段性的不间断监控，分析其演变趋势，决定处理措施。
(二)内窥镜检查
由于齿轮箱结构复杂、制造精密，只有借助内窥镜的使用才能更准确真实地掌握齿轮箱内部零部件运行状况，比如行星齿面、圆柱齿面是否有点蚀、损伤、断裂等现象，轴承是否出现磨损、剥落等现象等。根据每次检查结果研究齿轮、轴承缺陷发展趋势及规律，提前做出预防或处理措施，避免缺陷严重扩展。该项工作建议检查频次至少每年1次。
(三)油品取样检测
润滑油性能、清洁度对齿轮副及轴承副的油膜形成至关重要，尤其是清洁度。据业内经验，油品清洁度降低一等级、轴承寿命将减少20%至30%。必须定期关注油品粘度、酸值、水分含量、元素含量、颗粒物等关键指标的变化。该项工作至少半年进行一次。根据检测报告结果，分析制定相应的处理措施。
(四)滤芯及空气滤清器更换
每年或在压差传感器发出滤芯堵塞告警信号后10天内更换滤芯。滤芯的更换需严格按照齿轮箱滤芯更换方案实施，保证正确的拆装以及滤芯的清洁。检查齿轮箱空气过滤器情况，若干燥剂失效则及时更换。
(五)油品更换
对油质进行理化分析后，若发现异常，根据技术部门制定的理化指标判定是否需进行过滤、更换。更换工作必须由专业队伍严格按照换油方案进行实施。
(六)联轴器对中
如果齿轮箱与发电机的对中情况不好，会影响到齿轮箱输出端轴承以及发电机轴承，继而引起齿面异常。该工作建议1年进行1次。
(七)齿轮箱易损件更换
齿轮箱易损件更换时间或失效标准如表2。
五、建立跟踪档案，全面掌握运行状态
齿轮箱部件损坏，普遍是渐变的过程，我们必须连续跟踪其运行状态的变化，才能做到有的放矢、科学管理。建立档案就能很好地实现这一点。
风电场必须严格按照主机厂商编制的齿轮箱维护指导书内容进行日常巡检、定检维护;持续建立齿轮箱档案;每个月定期调取运行数据进行存档分析;现场做好各种异常处理;定期完成内窥镜检查、振动测试、油品检测;并及时、定期完成各种记录并按要求建档反馈,实时监控和掌握齿轮箱运行状态，根据异常情况制定处理措施。
(一)日常、定检维护档案
按照技术部门编制的齿轮箱运行维护指导书，现场实施队伍将所进行的日常、定检维护情况进行记录。
(二)齿轮箱档案
包括制造厂家、序号、出厂编号、制造日期、速比、运行时间等。
(三)齿轮箱轴承及齿轮参数档案
根据齿轮箱型号、出厂编号明确分辨各级轴承的生产厂家和具体型号、各级齿轮参数。
(四)油品档案
以各项关键理化指标的变化数据记录成表格、曲线图，观察和研究油品变化规律以及传动摩擦副的磨损状况，并按企业制定的指标值：警戒线和行动线采取相应措施。
油品监测除了采取定期取样方法外，国内的油品在线监测技术也趋于成熟，风电场可考虑在齿轮箱上安装在线监测系统，实时监控油品状态。
(五)振动测试档案
选取齿轮箱几个关键部位的测试记录如输入端、行星轮处、中速轴处、输出端，根据需要生成相应的曲线图，其变化趋势一目了然。具体测试时，可限定相同转速以对比研究。某风电场的一台齿轮箱振动数据记录案例见表3和图3。
(六)内部检查档案
要求采用内窥镜仪器，每次所拍摄照片存档，并作比较。发现有异常的如果暂时不处理，需做记号跟踪，并缩短检查周期。
(七)异常处理档案
在齿轮箱日常运行过程中，如果发现异常，则必须进行详细检查，提出处理措施，避免缺陷扩展。无论是现场处理的小故障及下架处理的大故障：包括换油、治漏、更换零部件、消除报警、整体更换等，都应加强运行检查，跟踪问题是否得到根治，每台机组每次处理过程与结果都必须记录在案。
六、数据库建立及远程监控预警分析系统
前期由人工建立齿轮箱各项数据档案，并对格式进行优化、固化，后期建立数据库。借助现代化通讯手段、大数据处理方法，通过建立远程监控系统，将齿轮箱CMS(在线状态监测系统)系统信号和齿轮箱温度、油压、油品清洁度等运行数据以及人工维修处理资料传回监控中心，逐步实现通过专业软件对各项数据进行分析;实现远程专家技术支持，即时监控、分析，提供指导和建议，缩短问题处理时间;另可生成各种报表，建立一套连续、长期的齿轮箱综合信息档案，为风电场维护维修计划、后续管理策略提供完备的基础数据。
七、其他
(一)控制策略优化
研究主机控制系统对齿轮箱的影响，如振动问题，以及优化控制策略减少传动链振动。齿轮箱电动油泵、机械泵、冷却系统、刹车装置工作方式直接影响着齿轮副、轴承副工作状态，辅助系统控制方式以及启停控制策略必须科学化、最优化。油品温度、轴承温度、油位、油压报警值设定要合理，运行中遇到报警严禁屏蔽信号，必须及时处理。
(二)结构优化
如果齿轮箱在某一个位置损坏率较其它部位偏高，则有必要从结构设计、制造工艺、材料选择方面分析原因，之后的维修工作以及新机组设计时考虑结构优化，增加零部件可靠性及安全系数。
(三)备件储备
齿轮箱出现问题，备件的缺乏也是制约风电机组利用率的原因之一。适当准备外部辅助系统备件，如管路及接头、密封件、滤芯，以及油泵、温控阀等;内部如高速轴、中速轴部套等;甚至储备整机齿轮箱，可极大减少恢复处理时间。
八、分析及制定措施
对齿轮箱多发故障、典型缺陷、运行数据、处理信息及健康管理结果进行分析，研究预防手段，拟定处理措施、监控运行措施、预期维修计划及更换计划，如研究抗磨自修复等新技术应用、零部件项修、整机大修等。根据业内经验，齿轮箱在运行7至8年后会或多或少地出现缺陷，特别是高速轴系的轴承，其精度部分丧失后，会影响齿轮副的啮合精度，进而导致齿面破坏。合理、有计划地安排大修，可减小风电机组非计划停机率。
结语
齿轮箱管理是风电场的管理十分重要的一部分，要做到科学、合理、有连续性。某些缺陷的发展是不可逆的，必须在前期做好预防。做好齿轮箱的健康持续管理，尽量延长其使用寿命，出现故障要采取合理方法、减少全寿命周期维护成本。文中所述的管理方法及技术措施可以作为风电场齿轮箱健康管理的参考。
(作者单位：东 方电气风电有限公司)
