摘要：依據(jù)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈振動(dòng)測(cè)試和齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了齒輪箱齒輪和軸承的常見失效形式，并對(duì)各失效形式進(jìn)行了分析；介紹了齒輪箱振動(dòng)測(cè)試及分析機(jī)理；闡述了齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查注意事項(xiàng)；用實(shí)際案例說明了以振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺鏡檢查相配合的檢測(cè)方式在風(fēng)電齒輪箱檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，為準(zhǔn)確評(píng)估齒輪箱運(yùn)行狀況提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱；振動(dòng)測(cè)試；內(nèi)窺鏡檢查1、前言一般情況下風(fēng)電機(jī)組質(zhì)保期為2-5年，隨著時(shí)間的推移，出質(zhì)保期機(jī)組數(shù)量會(huì)隨之增多，越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組需要運(yùn)營(yíng)維護(hù)及保養(yǎng)。由于雙饋型風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且極容易發(fā)生故障，因此，在機(jī)組出質(zhì)保期前，風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主都會(huì)要求對(duì)機(jī)組齒輪箱進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺鏡檢查，以獲知齒輪箱實(shí)際運(yùn)行情況和是否滿足出質(zhì)保期要求。目前，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)水平評(píng)價(jià)的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有德國(guó)工程師協(xié)會(huì)的導(dǎo)則VDI3834-2015《風(fēng)電機(jī)組及其部件的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試與評(píng)估》及我國(guó)國(guó)家能源局2011年頒布的NB/T31004-2011《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)導(dǎo)則》，但只有VDI3834給出了各振動(dòng)部件的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值以供參考，因此，如何快速、有效地對(duì)齒輪箱進(jìn)行真實(shí)的狀態(tài)評(píng)估，給測(cè)試和分析工程師提出了新的要求。本文介紹了風(fēng)電機(jī)組齒輪箱中齒輪和軸承的常見故障及原因，以案例形式展示了利用振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺鏡檢查相配合的齒輪箱檢查方法的優(yōu)勢(shì)，旨在為風(fēng)電機(jī)組齒輪箱檢查和評(píng)估提供參考方法。2、齒輪箱齒輪及軸承常見故障及原因分析齒輪和軸承是風(fēng)電機(jī)組齒輪箱傳遞運(yùn)動(dòng)的主要旋轉(zhuǎn)類零部件，齒輪故障和軸承故障是齒輪箱故障的主要形式，在對(duì)風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查時(shí)，常見的齒輪故障有齒面磨損、齒面擦傷、齒面微動(dòng)鎖止痕、齒面銹蝕、齒面點(diǎn)蝕及斷齒等，常見的軸承故障有軸承磨損、滾動(dòng)體表面剝落、軸承跑圈等。2.1齒輪故障1）齒面磨損、擦傷磨損是齒面耗損的一種跡象，是當(dāng)兩個(gè)表面作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)出現(xiàn)材料移失的一般性術(shù)語(yǔ)。磨損包括潤(rùn)滑劑中雜質(zhì)的磨粒作用所導(dǎo)致的材料移失。由于潤(rùn)滑劑中雜質(zhì)或堅(jiān)硬顆粒物的存在，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在齒面滑動(dòng)方向上將造成細(xì)微溝痕或溝槽。齒面嚴(yán)重擦傷時(shí)，在齒面滑動(dòng)方向上會(huì)發(fā)現(xiàn)直線形溝槽，類似于“起脊”產(chǎn)生的溝槽。

圖1齒面磨損

圖2齒面嚴(yán)重擦傷齒面磨損、擦傷主要是由于潤(rùn)滑油含有雜質(zhì)、堅(jiān)硬顆粒、鐵元素或其他元素等造成，可通過對(duì)油樣進(jìn)行檢測(cè)獲知潤(rùn)滑劑工作狀態(tài)，通過內(nèi)窺鏡檢查獲知齒面磨損、擦傷情況。2）齒面微動(dòng)鎖止痕風(fēng)電場(chǎng)處于小風(fēng)、無(wú)風(fēng)季節(jié)或機(jī)組故障停機(jī)時(shí)，機(jī)組常會(huì)處于停機(jī)狀態(tài)，葉輪在風(fēng)力荷載的作用下，造成齒輪箱各齒輪齒面嚙合處始終在一個(gè)很小的范圍內(nèi)左右晃動(dòng)，加之潤(rùn)滑不良及環(huán)境溫度的變化，在嚙合區(qū)域位置上最終造成齒面磨損痕跡或溝痕，常稱作齒面微動(dòng)鎖止痕或齒面嚙合黑線。圖3齒面微動(dòng)鎖止痕（嚙合黑線）圖4齒面銹蝕由于微動(dòng)鎖止痕的存在，使齒面在嚙合過程中出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，造成齒輪傳動(dòng)精度下降，且產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊及噪聲，減少齒輪箱使用壽命。預(yù)防產(chǎn)生微動(dòng)鎖止痕的措施主要是盡量避免風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)，并在風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)半小時(shí)啟動(dòng)一次油泵，保證齒輪箱各齒面嚙合處有充分的潤(rùn)滑。3）齒面銹蝕齒輪箱在非運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于潤(rùn)滑不到位及齒輪箱內(nèi)環(huán)境溫度的變化會(huì)在齒輪箱內(nèi)部產(chǎn)生冷凝水，這些水分積聚在齒輪齒面上，最終造成齒面上出現(xiàn)不同程度褐紅色鐵的氧化物，即齒面銹蝕。齒面銹蝕部分在參與嚙合過程中，氧化物會(huì)隨著嚙合齒面間的摩擦作用脫落到潤(rùn)滑劑中，造成潤(rùn)滑劑污染及顆粒物增多，進(jìn)而加劇對(duì)其他齒面的損壞。因此，在機(jī)組日常維護(hù)過程中，要關(guān)注干燥劑的變色程度，對(duì)吸水飽和或接近飽和的干燥劑及時(shí)進(jìn)行更換。4）齒面點(diǎn)蝕齒面點(diǎn)蝕是齒輪故障的一種嚴(yán)重形式，是齒面在嚙合過程中，由于力的反復(fù)作用，在表面和次表面產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的材料損傷，其特征為齒面金屬材料的移失并在齒面上形成一些凹坑。齒面發(fā)生點(diǎn)蝕的主要原因是齒面疲勞強(qiáng)度不足所致，另外齒輪材料、加工工藝及精度較差、潤(rùn)滑不良、油溫過高等均能導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕。

圖5齒面點(diǎn)蝕

圖6斷齒5）斷齒斷齒是齒輪最嚴(yán)重的失效形式[4]，也是引起振動(dòng)和噪聲異常的主要原因。齒輪斷齒主要有過載斷齒、疲勞斷齒以及隨機(jī)斷裂等形式。齒輪出現(xiàn)斷齒失效后，必須進(jìn)行更換，以免造成齒輪箱卡死，無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，增加維護(hù)成本。2.2軸承故障1）軸承磨損軸承磨損是指在使用過程中，兩個(gè)滑動(dòng)或滾動(dòng)/滑動(dòng)接觸表面的微凸體相互作用造成材料不斷移失的現(xiàn)象。齒輪箱中潤(rùn)滑劑清潔度較差、潤(rùn)滑不良、或有異物進(jìn)入軸承工作面時(shí)，將在軸承內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體相互作用下引起各表面產(chǎn)生溝槽狀磨損。圖7滾動(dòng)體磨損

圖8滾動(dòng)體表面剝落2）滾動(dòng)體面剝落滾動(dòng)體面剝落是軸承疲勞失效的嚴(yán)重形式。在軸承載荷過大，異物進(jìn)入、潤(rùn)滑不良或齒輪箱精度較低等情況下，滾動(dòng)體表面易產(chǎn)生小片狀剝落現(xiàn)象，最終造成成片剝離滾動(dòng)體表面現(xiàn)象。3）軸承跑圈軸承跑圈是滾動(dòng)軸承與其配合和的軸或孔發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)。軸承發(fā)生跑圈時(shí)，其溫度偏高，振動(dòng)變大，并會(huì)加劇其配合零件的磨損，甚至報(bào)廢，降低傳動(dòng)效率。出現(xiàn)軸承跑圈情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡快安排檢修。在進(jìn)行齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查時(shí)，可通過觀測(cè)齒輪和軸承是否有磨損情況來(lái)判斷是否存在跑圈現(xiàn)象，如圖9所示。圖9軸承跑內(nèi)圈3、齒輪箱振動(dòng)測(cè)試及分析機(jī)理齒輪箱中各齒輪和軸承的故障都將以振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。通過齒輪的嚙合頻率可判定故障發(fā)生的具體部位，但在實(shí)際的振動(dòng)測(cè)試過程中，齒輪的嚙合頻率時(shí)常伴隨有特定幅值的且與齒輪或其嚙合齒輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的邊頻帶，增加了嚙合頻率識(shí)別的難度。風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱齒輪振動(dòng)頻譜分量主要包括低速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率、高速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪嚙合頻率；低速齒輪邊帶頻率、高速齒輪邊帶頻率、齒輪重復(fù)頻率和齒輪組合狀態(tài)通過頻率。對(duì)滾動(dòng)軸承故障的識(shí)別，主要是利用頻譜分析（FFT）、包絡(luò)譜分析、倒譜分析、小波分析等分析手段對(duì)所測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，獲取軸承內(nèi)環(huán)故障頻率、外環(huán)故障頻率、保持架故障頻率、滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率。4、齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查注意事項(xiàng)當(dāng)齒輪箱有異常運(yùn)行噪聲、維修時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯里存在鐵屑、油品化驗(yàn)結(jié)果顯示指標(biāo)異常、齒輪箱異常振動(dòng)及整機(jī)出質(zhì)保時(shí)，為了掌握風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的運(yùn)行健康狀態(tài)，均需對(duì)機(jī)組齒輪箱進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查。為了便于齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查，防止意外事故發(fā)生，在檢查過程中需要注意以下事項(xiàng)。1）了解目標(biāo)齒輪箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置，提前做好工具等準(zhǔn)備。為了保護(hù)觀測(cè)孔蓋板鎖緊螺栓不受損壞，盡量利用套筒對(duì)螺栓進(jìn)行拆卸。2）拆除觀察孔處的鎖緊螺栓后，將其放置在干凈且安全的位置，切勿被污染，更勿意外掉進(jìn)齒輪箱內(nèi)部。3）在挪開觀察孔處蓋板之前，用抹布擦干凈齒輪箱表面油漆等雜物，以防止掉進(jìn)齒輪箱內(nèi)部。4）進(jìn)行檢查前，清空上衣口袋里的個(gè)人物品，以防意外掉落進(jìn)齒輪箱。5）打開觀察孔后，等待30分鐘左右，待齒輪箱油蒸汽散盡后再開始檢查。6）進(jìn)行齒輪箱檢查時(shí)，檢查人員必須佩帶防毒面具，且佩帶無(wú)紡手套，以免化學(xué)纖維掉落進(jìn)齒輪箱內(nèi)部。7）檢查時(shí)，可用適合內(nèi)窺鏡線徑的鋁塑管或?qū)Ｓ锰坠軈f(xié)助進(jìn)行檢查。8）檢查完畢恢復(fù)觀察孔端蓋，必要時(shí)涂抹密封膠，以防止?jié)駳饣螓}霧進(jìn)入。9）觀測(cè)孔蓋板上若有離線濾芯油管，檢查完畢后切記恢復(fù)，以免造成齒輪箱漏油。10）拆卸過程中，如觀察孔上的鎖緊螺栓掉漆，則在完成檢查后，對(duì)恢復(fù)后的鎖緊螺栓進(jìn)行補(bǔ)漆處理等。5、振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺鏡檢查相互配合的優(yōu)勢(shì)常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)有一級(jí)行星+二級(jí)平行和二級(jí)行星+一級(jí)平行結(jié)構(gòu)，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況多變，在對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試時(shí)，振動(dòng)信號(hào)容易受到強(qiáng)背景噪聲的影響，且每個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)中的頻率成分均包含多個(gè)齒輪和軸承的頻率成分，頻率成份較復(fù)雜，無(wú)法通過快速的方法來(lái)識(shí)別齒輪箱工作狀態(tài)。利用工業(yè)內(nèi)窺鏡可對(duì)齒輪箱進(jìn)行直觀的檢查，且有效識(shí)別檢查到的齒輪和軸承的實(shí)際狀況，但由于內(nèi)窺鏡視野局限性及齒輪箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，給內(nèi)窺鏡檢查增加了難度。依據(jù)長(zhǎng)期風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺鏡檢查經(jīng)驗(yàn)，采用先對(duì)齒輪箱各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)VDI3834推薦的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值為參考識(shí)別各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)狀況，再利用工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)超過對(duì)應(yīng)報(bào)警值或危險(xiǎn)值的部位進(jìn)行全面檢查，可有效、快速地獲知對(duì)應(yīng)部位現(xiàn)狀，了解齒輪箱實(shí)際健康狀況。2017年3月，在對(duì)某風(fēng)場(chǎng)MD77型齒輪箱進(jìn)行專項(xiàng)檢查時(shí)，依據(jù)MD77型齒輪箱內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先對(duì)齒輪箱進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，通過振動(dòng)測(cè)試，得知內(nèi)齒圈徑向振動(dòng)加速度有效值（10Hz~2000Hz）超過值VDI3834對(duì)應(yīng)的推薦值，但由于內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速較低，在時(shí)域圖上未見明顯沖擊信號(hào)，在頻譜圖上未見明顯異常，無(wú)法快速識(shí)別出內(nèi)齒圈是否存在故障。停機(jī)后針對(duì)內(nèi)齒圈振動(dòng)超限情況，對(duì)其進(jìn)行了內(nèi)窺鏡全面檢查，發(fā)現(xiàn)多個(gè)齒面存在剝落情況，且一顆輪齒發(fā)生斷齒。利用振動(dòng)測(cè)試和內(nèi)窺檢查相結(jié)合的方式有效、快速地識(shí)別出了齒輪箱內(nèi)齒圈斷齒故障。圖10內(nèi)齒圈徑向測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖圖11內(nèi)齒