1、海上風(fēng)力發(fā)電齒輪箱維護(hù)現(xiàn)狀

1.1 齒輪箱在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的作用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機(jī)組的總體布置要求，有時將與風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置，配合葉尖制動（定漿距風(fēng)輪）或變漿距制動裝置共同對機(jī)組傳動系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動。

1.2 海上風(fēng)電對運(yùn)行維護(hù)的考驗

近年來，海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，海上風(fēng)電場的數(shù)目和裝機(jī)容量不斷增加，但是由于海上風(fēng)電場較陸上風(fēng)電場的工作環(huán)境更加惡劣，如鹽霧的腐蝕、臺風(fēng)的破壞、海浪的載荷和海上撞擊物( 主要是海冰) 的影響，如何提高海上風(fēng)機(jī)的可靠性和利用率就成為研究重點(diǎn)和亟待解決的問題。通常情況下，陸上風(fēng)電場設(shè)有運(yùn)行維護(hù)中心，對風(fēng)機(jī)的維護(hù)也相對簡單，不易受天氣等因素的影響。而海上風(fēng)電場由于工作環(huán)境惡劣，螺栓及接觸點(diǎn)等一些易損部件的失效加快，機(jī)械和電氣系統(tǒng)的故障率也會大幅上升，需要增加檢修和維護(hù)的頻率。另外，由于環(huán)境的特殊性，海上風(fēng)電場中如果發(fā)生機(jī)組故障，由于天氣原因維護(hù)人員可能數(shù)月都不能到達(dá)故障點(diǎn)，且出海維修需要動用大型工程船進(jìn)行運(yùn)輸與吊裝，費(fèi)用也十分昂貴 。為了使每臺風(fēng)機(jī)的投資盡量最小化，海上風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)需要從長遠(yuǎn)角度來制定合理的維護(hù)和檢修計，而維護(hù)和檢修計劃的制定則是基于對風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測和診斷的。

為此，針對海上風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)，對海上風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的考驗。

1.3 現(xiàn)有的齒輪箱維護(hù)方式

1.3.1 齒輪箱的故障率以及維修所耗費(fèi)的時間

齒輪傳動是機(jī)械設(shè)備中設(shè)備中最為常用的傳動方式之一。風(fēng)電齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的正常與否直接關(guān)系到整臺機(jī)組的工作狀況。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，齒輪箱發(fā)生故障有40％的原因是由于設(shè)計、制造、裝配及原材料等因素引起的，即是由制造單位設(shè)計制造引起的；另有43％的原因是由于用戶維護(hù)不及時和操作不當(dāng)引起的；還有17％的原因是由于相鄰條件（如電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)等）的故障或缺陷引起的。當(dāng)然，風(fēng)電齒輪箱故障原因是否有這比例關(guān)系，還要經(jīng)過統(tǒng)計得出。由此可見，為了確保風(fēng)電齒輪箱安全、正常地運(yùn)行，提高齒輪傳動的可靠性，一方面需要改進(jìn)設(shè)計、提高加工制造精度以及改善裝配質(zhì)量，另一方面則必須提高運(yùn)行管理和維護(hù)水平，對齒輪傳動裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

再者，由于齒輪箱的故障發(fā)生一般為突發(fā)故障，這樣的故障往往面臨著沒有備品備件、維修周期長（一般為兩個月）。單單從這些浪費(fèi)的發(fā)電量就是一個可觀的金額。針對1.5MW的路上風(fēng)機(jī)發(fā)生的每一次事故，發(fā)電量損失基于0.54元每度，30%的風(fēng)機(jī)利用率來說，60天損失的發(fā)電量約為60x24x1500x30%x0.54=349920元，隨時尤為客觀。

1.3.2 現(xiàn)有的齒輪箱維護(hù)方式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的日常運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容主要包括：設(shè)備外觀檢查、噪音測試、油位檢查、油溫、電氣接線檢查等。具體工作任務(wù)包括：持續(xù)大風(fēng)天氣時，在中控室應(yīng)注意觀察齒輪油溫、軸承溫度；登機(jī)巡視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，應(yīng)注意檢查齒輪箱油位，檢查齒輪泵接線、箱體及潤滑管路有無滲漏現(xiàn)象，外設(shè)的潤滑管路有無松動，清潔齒輪箱；離開機(jī)艙前，應(yīng)開機(jī)聽齒輪箱及齒輪泵運(yùn)行有無異常聲音。利用油標(biāo)尺或油位窗檢查油位是否正常，借助玻璃油窗觀察油色是否正常，發(fā)現(xiàn)油位偏低應(yīng)及時補(bǔ)充并查找具體滲漏點(diǎn)，及時處理。如果濾清器壓差傳感器報警應(yīng)盡快更換濾芯，檢查濾芯是否有鐵屑并徹底清洗內(nèi)部，如有較多鐵屑應(yīng)該化驗齒輪箱潤滑油品，通過化驗結(jié)果，判斷齒輪箱是否有潛在的危險。將新的濾芯安裝到機(jī)組上后，應(yīng)開機(jī)聽齒輪泵和齒輪箱運(yùn)行聲音是否正常，觀察齒輪泵出口壓力表，壓力是否正常。

除了以上的常規(guī)維護(hù)，業(yè)主普遍采用離線油液實(shí)驗室進(jìn)行油液分析，每年兩次對潤滑油進(jìn)行理化分析和磨粒分析，用來判斷設(shè)備的運(yùn)行情況。

再者，按照我們國家的相關(guān)要求，要在我國1.5MW以上的風(fēng)機(jī)采取標(biāo)配振動在線監(jiān)測的手段對齒輪箱的異常振動進(jìn)行監(jiān)測，用來判斷設(shè)備故障的發(fā)生。

1.4 齒輪箱維護(hù)方式的瓶頸或遇到的問題

離線油液分析即實(shí)驗室分析，它主要基于石油產(chǎn)品質(zhì)量評定方法、光譜元素分析與鐵譜技術(shù)，從設(shè)備潤滑系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)中取出一小瓶樣品，送到實(shí)驗室進(jìn)行檢測，并依靠專家經(jīng)驗對設(shè)備的油質(zhì)狀態(tài)、污染狀態(tài)與磨損狀態(tài)進(jìn)行評價并給出指導(dǎo)建議，全部結(jié)果輸入計算機(jī)系統(tǒng)，以方便查閱并形成歷史趨勢。 

離線監(jiān)測是目前油液分析的主要形式，在為汽車、港口、石化、冶金、制氣、化工、石油開采、運(yùn)輸、水泥、電力等行業(yè)的大型壓力機(jī)、大型減速箱、氣體壓縮機(jī)、高精度伺服液壓系統(tǒng)、大型燃?xì)馔钙綑C(jī)、大型水輪機(jī)組等關(guān)鍵設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)分析中發(fā)揮了重要的作用。但是，離線監(jiān)測也存在一些固有的問題。

1.4.1 技術(shù)上的問題

（1）檢測消耗時間太長。目前油液分析實(shí)驗室采用的是石油產(chǎn)品質(zhì)量評定的標(biāo)準(zhǔn)方法與檢測實(shí)驗室的管理體系，需要時間長，一般完成一個樣品的檢測全過程需要二到五天時間。檢測結(jié)果精確，但事實(shí)上在狀態(tài)監(jiān)測中更注重的是趨勢而不是數(shù)據(jù)的精度。

 （2）部分檢測儀器價格昂貴，體積龐大，不適合在企業(yè)一級推廣使用。

（3）分析鐵譜對人員素質(zhì)的依賴較大，不適合大面積推廣以及檢測流程的提速。

1.4.2 應(yīng)用中的問題

（1）取樣不一定有代表性。有些大型潤滑系統(tǒng)的用油量可到幾十立方，而離線監(jiān)測的取樣量一般只有幾百毫升。典型磨損顆粒被稀釋而不一定能夠被及時發(fā)現(xiàn)。 

（2）送檢周期太長。一般從取樣到送至最近的專業(yè)油液實(shí)驗室，到得到分析報告，需要幾天甚至幾個星期時間。  

（3）應(yīng)用地域有限制。有些交通不便的企業(yè)或取樣不便的設(shè)備很難開展定期的離線監(jiān)測。如遠(yuǎn)洋船舶與風(fēng)電齒輪箱。

而對于在線式的振動監(jiān)測，檢測的WAV波形對于業(yè)主來說很難進(jìn)行分析，而如果要達(dá)到一個很好地監(jiān)測目的，這些分析需要收費(fèi)，而且價格不菲。另外，振動監(jiān)測往往受到外界的干擾比較嚴(yán)重。例如在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的上升，振動值也會超標(biāo)。另外如果隨著其他部件的振動，齒輪箱會存在共振的可能性，這都使振動在線監(jiān)測處在一個尷尬的境地。業(yè)主普遍反映振動監(jiān)測一般沒有用處，這些問題主要集中在虛報誤報頻繁，數(shù)據(jù)繁雜需要專業(yè)人員分析這些方面。

2、解決方法

2.1基于智能維護(hù)的管理理念提出

智能維護(hù)系統(tǒng)是在狀態(tài)維護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的預(yù)測性維護(hù)方式，其目的在于實(shí)現(xiàn)設(shè)備接近于零故障的運(yùn)行效率。通過融入嵌入式智能代理技術(shù)和性能衰退預(yù)測技術(shù)，智能維護(hù)不僅提供了設(shè)備性能衰退監(jiān)測的低成本解決方案，也使得企業(yè)在制定維護(hù)計劃和準(zhǔn)備維護(hù)資源（如備品備件）時的時間余量更為充足。特別是在備品備件的庫存管理上，智能維護(hù)可使維護(hù)所需的備品備件庫存大幅降低，從而為企業(yè)節(jié)約維護(hù)所需的庫存成本。2002年，智能維護(hù)被美國財富雜志評選為未來制造業(yè)最熱的三項技術(shù)之一。

我國從2006年開始大面積采用風(fēng)機(jī)發(fā)電，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了5年，齒輪箱故障無法避免。隨著機(jī)組運(yùn)行對間的加長，目前這些機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了故障（包括風(fēng)輪葉片、電機(jī)、增速齒輪，及控制系統(tǒng)等），導(dǎo)致機(jī)組停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響發(fā)電量，造成經(jīng)濟(jì)損失。

目前，中國風(fēng)電場主對運(yùn)行維護(hù)的預(yù)算比較低，維護(hù)費(fèi)用可以做得很便宜，但長期來看不值，3年、5年好對付，一旦風(fēng)機(jī)運(yùn)行超過10年，維護(hù)成本會有一個迅速上升的趨勢。這時，風(fēng)機(jī)的故障會越來越多，問題也會越來越大，前面少花的錢會在這個時期補(bǔ)回來，而且還影響風(fēng)機(jī)的壽命。而選用合適的維護(hù)方法，則可以讓風(fēng)機(jī)在保持高可利用率的前提下，運(yùn)行25年到30年。國外風(fēng)機(jī)場主這方面已經(jīng)走在了前面。目前有很多國際知名企業(yè)已把智能維護(hù)技術(shù)作為企業(yè)的主要發(fā)展戰(zhàn)略以促進(jìn)維護(hù)策略從平均故障間隔到平均衰退間隔的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備和產(chǎn)品在其生命周期中近乎零的故障發(fā)生率，從而大大提高國際市場的競爭力。

2.2油液監(jiān)測對降低風(fēng)電機(jī)組維護(hù)成本的影響

2.2.1 提高風(fēng)電機(jī)組可靠性

風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)備中的主齒輪箱，作為傳動機(jī)構(gòu)，對風(fēng)力發(fā)電起著極其重要的作用。該齒輪箱具有造價高、維修困難的特點(diǎn)，由齒輪、軸承等摩擦副構(gòu)成，以高粘度齒輪油予以潤滑。潤滑方式是基于集中循環(huán)潤滑系統(tǒng)的強(qiáng)制式潤滑。正常情況下，各摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)，以正常的磨損速率運(yùn)行。但當(dāng)在用齒輪油被污染、油質(zhì)下降、供油不足等造成潤滑不良時，非正常的磨損狀態(tài)出現(xiàn)了，會瞬間產(chǎn)生巨大磨損顆粒，或磨損率上升導(dǎo)致磨損顆粒數(shù)量顯著增加。如果對此置若罔聞，任其發(fā)展，勢必造成主齒輪箱相關(guān)摩擦副異常磨損，使相關(guān)摩擦副出現(xiàn)磨損故障，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。而等主齒輪箱出現(xiàn)故障后再去維修，不僅會因停機(jī)造成發(fā)電損失，而且維修費(fèi)用也將數(shù)倍或數(shù)十倍地增加。

由于主齒輪箱在用齒輪油中含有磨損下來的磨粒和污染雜質(zhì)，帶有豐富的摩擦學(xué)信息，通過油液監(jiān)測技術(shù)，定期取樣檢測在用齒輪油，測定在用齒輪油的理化性能，分析磨損顆粒和污染雜質(zhì)，監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的潤滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)，使齒輪箱總是處于良好或正常的潤滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)，同時也能及時發(fā)現(xiàn)潤滑隱患和由潤滑不當(dāng)造成的故障隱患，提前預(yù)測故障萌芽，及時消除故障隱患，不因停機(jī)而耽誤發(fā)電生產(chǎn)，以最小的代價換取齒輪箱的正常運(yùn)行，最大限度地延長風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的使用壽命，從而產(chǎn)生顯而易見的效益。從這個意義上說，對風(fēng)電機(jī)組實(shí)施油液監(jiān)測，提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性，降低了機(jī)組維護(hù)成本。

譬如，龍源集團(tuán)開展油液監(jiān)測工作已有三年，三年來共檢測 15000 多臺次，其中提出警告 973 臺次，提出潤滑狀態(tài)異常、建議換油或采取其他措施的 454 臺次，有效地避免了磨損故障的發(fā)生，提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性，在一定程度上降低了維護(hù)成本。圖 1 示出了龍源集團(tuán)三年來油液監(jiān)測結(jié)果。

值得一提的是，由于油液監(jiān)測工作能較早發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患，可能在較短時間內(nèi)不一定出現(xiàn)故障，也難有被現(xiàn)場及時確認(rèn)的手段，油液監(jiān)測的結(jié)果有時難于一時被風(fēng)電場所驗證，因而個別風(fēng)電場對油液監(jiān)測持有異議。這可以理解，但這種理念需要更新。因為根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果，在用潤滑油不能滿足使用要求時，就會存在風(fēng)電機(jī)組有關(guān)摩擦副磨損加劇、有關(guān)摩擦副點(diǎn)蝕嚴(yán)重、極壓條件下摩擦副磨損失效等安全隱患。如不及時消除，勢必造成摩擦副磨損失效和磨損故障，風(fēng)電機(jī)組有關(guān)部件就達(dá)不到設(shè)計壽命，其可靠性就大打折扣。

2.2.2 降低潤滑成本

通過油液監(jiān)測將定期換油變?yōu)榘促|(zhì)換油，即根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果決定是否更換新油，可使風(fēng)電場節(jié)省可觀的潤滑成本。潤滑油是由基礎(chǔ)油和各種添加劑組成。在用齒輪油使用過程中，一旦齒輪油的各種添加劑耗盡、本身嚴(yán)重氧化、粘度發(fā)生嚴(yán)重變化，齒輪油的各種性能就下降，或者一旦齒輪油被嚴(yán)重污染，都會造成在用齒輪油不能滿足使用要求的后果。此時就必須立即更換。然而，在用齒輪油雖有

成分輕微變化，性能輕微下降，油品稍有污染，使用年限超過齒輪箱制造商或供油商建議的年限，但經(jīng)檢測，在用齒輪油的各種性能仍能滿足使用要求，就可以繼續(xù)使用而不必更換。一般說來，風(fēng)電機(jī)組主齒輪箱所用的合成齒輪油，齒輪箱制造商建議使用3 年就需更換。供油商近幾年則建議換油期為 3 到 5 年。如果按油液監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行按質(zhì)換油，就可能超過了齒輪箱制造商或供油商建議的使用期限，這樣就延長了換油周期，節(jié)省了換油費(fèi)用，降低了潤滑成本。

以龍源集團(tuán)某風(fēng)電場為例。該風(fēng)電場使用的是全合成齒輪油。油品供應(yīng)商推薦的換油周期為 3 至 5 年。該風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在用油已使用近 6 年，經(jīng)定期取樣檢測，發(fā)現(xiàn)該在用齒輪油各項指標(biāo)均正常，仍能滿足使用要求，建議風(fēng)電場繼續(xù)使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果實(shí)施按質(zhì)換油，不能滿足使用要求的要及時換掉，能滿足使用要求的要繼續(xù)使用，既可以保證機(jī)組設(shè)備處于良好的潤滑狀態(tài)，又能避免定期換油造成的換油成本浪費(fèi)。從這個意義上說，也降低了潤滑成本。

2.3 保障風(fēng)電機(jī)組潤滑的可靠性

通過油液監(jiān)測對風(fēng)電場所用新潤滑油品實(shí)施把關(guān)，主要包括所購新油油品是否合格、注入到主齒輪箱的油品是否正確等三個方面。有信譽(yù)的供油商都能提供第三方檢驗合格證明，保證油品質(zhì)量，但個別供油商有時以次充好、以假充真。如果應(yīng)用了這樣的潤滑油，輕則造成磨損故障，重則造成嚴(yán)重的安全事故。入庫前如有疑問，可以根據(jù)需要進(jìn)行質(zhì)量抽檢，以保證所購油品質(zhì)量。庫存新油油品是否變質(zhì)是一個常被風(fēng)電場所忽略的問題。新油入庫后，由于溫度、濕度、灰塵等各種環(huán)境因素的影響，其性能會有不同程度的劣變。儲存時間越長，劣變程度越大。一般來說，如果保存得當(dāng)，全合成油品可保存三年或更長。但由于環(huán)境因素的不確定性，加之儲存措施難免不周，如存儲時間過長，所以最好在使用前進(jìn)行一次抽檢。通過檢測，以確定油品質(zhì)量是否可靠。這可以有效避免因油品劣化導(dǎo)致潤滑不良而產(chǎn)生磨損故障或事故。對剛剛注入到主齒輪箱的齒輪油短時間內(nèi)進(jìn)行一次檢查十分必要。因為這既可以有效避免共組人員因疏忽大意而用錯油，又可驗證換油是否規(guī)范。因疏忽大意用錯油的案例在許多行業(yè)并不鮮見，所以風(fēng)電行業(yè)也要特別注意。更換新油要有嚴(yán)格的程序，如不嚴(yán)格遵守，就會出問題。例如，舊油沖洗不徹底，就可能導(dǎo)致新油污染等。