齿轮箱的故障及原因分析.docx

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齿轮箱的故障及原因分析

一、齿轮箱的故障及原因分析

二、齿轮油的工作原理

三、齿轮油的要求及标准

四、奥吉娜产品的优势

五、世界先进的检测设备

一、齿轮箱的故障及原因分析

风电场的核心是风力发电机组

风电机组的核心是齿轮箱

国内风力发电机组80%的停机故障是因为齿轮箱问题。

风机齿轮箱出现故障的零部件及概率分别为：

轴承81%，齿轮14%，泵4%，机架1%。

从齿轮箱区域划分看，行星轮组是变速箱最易出现故障的部位，故障率为55%，是一个太阳轮行星轮机构，它是实现变速的核心。

从现象的划分方式：

轴承损坏、齿轮损伤、断轴和渗漏油、油温高等。

无论从技术、成本还是质量方面，齿轮箱都是核心

轴承的故障是因为：

润滑:

  34%

疲劳:

  34%

安装：

16%

污染：

16%

个人观点：

轴承的不对中、不平衡、机件松动、轴的弯曲等对轴承的寿命都会有影响。

按照统计，70%的轴承没有到设计寿命。

主轴的断裂大多是：

制造水平问题，没有消除交变应力因素。

表面的光洁度和轴的刚度是决定性因素。

改进方式

1、齿轮设计

2、材料选用

3、表面硬度（热处理、表面渗碳）

4、加工精度（磨齿工艺，齿轮级别从6级提高到4级甚至3级）

5、装配工艺（对中找正）

6、润滑

二、齿轮油的工作原理

风力发电机组的齿轮箱是闭式齿轮传动

润滑油的设计和选用涉及到：

齿轮润滑和滚动轴承润滑

因齿轮润滑条件恶劣，所以，齿轮啮合的传动润滑设计的结果，适用于滚动轴承的润滑

齿轮润滑设计主要要考虑两个方面：

1、抗点蚀能力

2、抗胶合能力

齿轮齿廓曲率小，形成油楔条件差

齿轮接触压力高，而且即滚动又滑动，滑动的方向和速度变化快

油膜形成条件差，每次都形成新的油膜，润滑是断续性的。

齿轮负荷大，摩擦产生的热量也大，油温升温快，加速油膜的破坏

齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素。

润滑油设计计算

一、粘度计算选择：

根据力/速度因子的结果选择

二、齿轮油品种计算选择：

1、根据齿面接触应力选择

2、根据齿面积分温度选择：

齿面积分温度<胶合临界温度

齿轮动压油膜很难形成，靠极压化学膜保护金属表面，所以选择时可以适当的降低润滑油的粘度。

有兴趣的可以研究一下

润滑对点蚀的影响

点蚀的程度和发生的时间，主要取决于接触应力大小，载荷循环数、材料硬度、表面微观几何形状及润滑状态和润滑膜厚度。

因此，如果润滑油选用不当，或润滑方式不良，均会引起或促使疲劳点蚀。

影响的方式主要有：

1、粘度

使用低粘度油，因为流动性较好，容易渗人表面裂纹中，加速裂纹的发展和金属块的脱落，引起点蚀。

高粘度的油对于渗入裂纹的作用没有稀油活泼，同时，粘度高有利于油膜的建立和油膜厚度的增大，并且油的弹性可缓和冲击，使接触应力的分布更趋于均匀，相对地降低了最大应力值，增强了齿面的耐点蚀能力。

所以适当提高润滑油的粘度，可以减少表面疲劳点蚀的发生和扩展。

2、添加剂

润滑油中的添加剂对点蚀也有影响，特别是极压添加剂，如果使用不当，往往造成腐蚀加速点蚀生成。

为了防止点蚀，使用极压添加剂必须慎重考虑，对添加剂的组分，用量，齿轮的材质，接触应力，负荷性质，速度，环境温度等都应十分注意，不能随便采用。

3、润滑方式

3、润滑方式与抗点蚀能力的关系：

油浴法比循环喷油法抗点蚀能力          高11%

油浴法：

啮出侧比啮入侧抗点蚀能力      高8%

循环喷油法啮出侧比啮入侧抗点蚀能力  高20%

当润滑油达到粘着极限时，点蚀倾向随油量增大而增加

润滑方式与供油量对点蚀也影响。

从防疲劳点蚀出发，供油量不宜过多。

供油量过多，会有部分油因在啮合的齿面间，受到挤压，从而产生局部高压，增加接触应力。

同时油在高压作用下渗人裂纹的量也多，促进疲劳点蚀的发生和发展。

但是为防止粘着，又必须有充分的渍量，所以，应综合全面考虑供油量的多少，以取得良好的润滑效果。

润滑对胶合（粘着）的影响

润滑可以阻止胶合粘着的产生。

影响的方式主要有：

1、粘度

  对不含油性剂和极压剂的矿物油，若油的粘度愈高，形成的油膜愈厚，粘附性愈强，容易阻止齿面的直接接触，抵抗粘着磨损的能力愈强。

2、添加剂

  对于在矿物油中加入油性剂和复合基础油，它可以用物理和化学的吸附方式，形成比纯矿物油更牢固的边界油膜，抵抗粘着磨损的效果更显著;对含有极压剂的极压齿轮油，它能与齿轮表面发生化学反应，生成无机物覆盖膜，使胶合磨损失去产生的机会。

  极压添加剂的品种和添加数量不同，对粘着的影响也不一样。

一般来说，极压油比非极压油抗粘性能好。

3、润滑方式

  供油量和供油方式对粘着也影响。

供油量充足，可以提高抗粘着的极限负荷。

喷油方式比油浴方式的润滑冷却效果好，油温低，抗粘着磨损的能力强。

从齿轮啮出侧喷油，比啮入侧喷油效果好。

齿轮油添加剂的组成分三大类：

一、保护金属表面的添加剂

1、油性剂：

极性较强的油性物质。

在低温低压下，形成物理吸附膜，在较高温度下，形成化学吸附膜。

油性剂在边界润滑条件下，增加了边界油膜的牢固性

2、极压添加剂：

硫磷氯的有机极性化合物。

在高温高压下，释放活性物质，与金属表面形成低熔点、高塑性的化学反应膜，对防止胶合有显著的作用

3、防锈剂：

极性型的表面活性剂，优先吸附与金属表面，形成隔水保护膜。

4、防腐剂：

防止工作表面的腐蚀

二、改善润滑性能的添加剂

1、破乳剂：

乳化的危害有两点：

水与工作表面接触，容易生锈，另外是降低润滑油系统的稳定性。

破乳剂的作用就是使油水分离。

2、降凝剂：

吸附于润滑油中的石蜡结构上，阻止形成网状结构，使润滑油的分子不再被晶体吸附，出现稠化，改善低温性能

3、粘附剂：

增加润滑油的粘附性，防止滴落或被离心力甩掉

4、粘度指数改进剂：

增加润滑油的粘度指数

三、保护润滑油本身的添加剂

1、抗氧剂：

阻止氧化

2、抗泡剂：

泡沫存在的危害有两个：

一是促进氧化，一是切破油膜.加剧磨损。

抗泡剂的作用是降低泡沫吸附膜的稳定性，缩短泡沫存在的时间。

三、齿轮油的要求及标准

目前国际上对齿轮油要求比较严格的标准，主要有以下几种：

1、美国齿轮制造商协会AGMA250.04√

2、美国钢铁公司        USS224EP√

上述两个标准在美国比较通用。

3、德国                  DIN51517-3√

4、DavidBrown        公司产品标准

以上两个标准在欧洲比较通用。

ASTM：

美国材料试验学会

ISO：

国际标准化组织

奥吉娜满足的产品保准：

1、美国齿轮制造商协会AGMA250.04√

2、美国钢铁公司    USS224EP√

3、德国          DIN51517-3√

4、德国FLENDER      产品标准√

一、极压抗磨性能：

主要的测试都是通过模拟试验来判断的，常用的有以下几种：

1、DIN51354的FZGA/8.3/90评级（不小于12级）和DIN51819FE8磨损量（轴承不超过30mg）

2、ASTMD-2783,测试磨损指数（441.27N）和烧结负荷（2451.5N）

3、ASTMD-2893D-TimkenOK（266.09N）

4、USSS205四球磨损试验（不大于0.35mm）

二、抗点蚀能力：

也是通过模拟试验来测量的，目前主要的方法是：

FVAProcNo.54微点蚀试验

要求通过级别不低于10级

美孚、壳牌都是通过的这个测试，佛兰德也有相应的要求

三、使用寿命要长，因为换油的成本很高。

所以对齿轮油的热稳定性、氧化安定性、蒸发损失、水解安定性等都有要求。

ASTMD-4310:

通过氧化安定性试验后，综酸值判断。

另一个苛刻的试验是热安定性试验，加热1000H后酸值、粘度的变化和沉淀物多少来判定其热稳定性。

ASTMD-2619水解安定性试验，通过铜片损失和总酸值判定润滑油的水解稳定性

旋转氧弹看氧化速度判断其氧化安定性，NOVAK蒸发损失法通过残余量看其工作稳定性

四、很高的防腐能力：

在工作中，海水或低温水分凝结

是不可避免的，齿轮油必须有很好的油水分离性和抗腐

蚀能力。

主要的测试有：

1、ASTMD-665  锈蚀保护（看腐蚀的状态）

2、ASTMD-130  铜片腐蚀（氧化铜是最好的催化剂）

3、ASTMD-1401  抗乳化性（40/37/3在一定温度下分离

的时间）

4、ASTMD-892  泡沫测试（在一定温度下，出入气体，

看泡沫的高度和破灭的时间）

五、宽的工作温度范围：

风电机组一年四季在运转，所以要求齿轮油有在低温和高温下提供保护的能力

1、ASTMD-92      闪点（安全性）

2、ASTMD-97      倾点（失去流动能力的温度）

3、ASTMD-2270      粘度指数（粘度随温度变化的性能，一般要求越高越好）

4、ASTMD-2983      低温粘度（低温流动性）

六、系统相容性：

对整个齿轮箱的管路、弹性密封件以及端面密封有良好的相容性。

ASTMD-2240

ASTMD-471

橡胶的硬度、弹性、延长率、体积等指标的变化

四、奥吉娜产品的优势

目前的风电行业，齿轮油大多数采用粘度级别为320#的全合成齿轮油。

全合成油与基础油相比，在各个性能上都有显著的提高：

极压抗磨性能、抗点蚀能力、使用温度范围、抗腐蚀能力、氧化安定性等方面

所以：

1、更好的适应风力机组恶劣的工况

2、给设备更好的保护

3、更长的使用寿命和换油周期

全合成齿轮油又分为PAO和合成酯型。

PAO与合成酯的对比：

一、合成烃油：

包括α-烯烃齐聚物、烷基苯及合成环烷烃等油品。

它们具有粘度指数高、倾点低、蒸发损失小的特点，最高使用温度为232℃。

适用于制备寒区、严寒区用内燃机油、齿轮油、液压油、空气压缩机油、冷冻机油及各种用途的白油。

合成环烷烃具有较高的牵引系数，主要用作无级变速装置的传动油。

二、酯类油：

包括双酯、多元醇酯和复酯，其特点是粘度指数高，蒸发损失小，加入添加剂后热氧化安定性好，可在175～200℃下长期使用，是一类各方面性能均比较优良的合成润滑油。

主要用于制备各种航空润滑油、内燃机油、空气压缩机油、高温仪表油、金属加工用润滑剂及纺织、合成纤维工业用油剂。

PAO全合成齿轮油与合成酯全合成齿轮油的对比：

一、PAO全合成齿轮油工作范围宽：

闪点高，倾点低。

二、PAO比合成酯的使用周期长：

氧化安定性要好，水解安定性要高更多（合成酯是脂肪酸和脂肪醇脱水的产物，一定条件下可逆）。

三、PAO与系统的相容性要比合成酯优越得多：

PAO即合成烃，与基础油类似，符合Flender公司提到的：

与弹性密封件、内侧涂料、残留的磨合油、防锈油与哦很好的相容性。

奥吉娜的SHG系列就是PAO合成油

与其他PAO产品的比较

指标项目    奥吉娜

SHG-320    美孚

SHC-XMP320

运动粘度40，CST    331    335

运动粘度100，CST    39.0    38.3

粘度指数VI    169    164

倾点    -46    -38

闪点    251    242

抗乳化性（82-40/37/3,min）    9    10

四球抗磨试验（1800r/54/60m/20kg）    0.22    0.25

一、中国风电场分布，北部的亚寒带大陆性气候地区，和以东南沿海的季风性气候带为主。

与同纬度的地区相比，我国为温度最低的地区。

奥吉娜针对不同的地区可以调整不同的配方，以不同的性能满足风电机组的使用工况。

二、提供优异的技术支持服务。

通常，齿轮箱的以2月为一个检测周期。

检测的内容：

1、通常只提供理化指标检测服务

比如粘度、水分、酸值、抗乳化、闪点、机杂、腐蚀、抗氧化稳定性等等，与标准对比即可。

2、磨屑检测：

a、铁谱议：

利用高梯度强磁场将润滑油样品中的磨粒制成铁谱片，借助光学或者电子显微镜，确定磨粒或者碎片的形状、尺寸、数量以及材料成分，从而判断设备的磨损状态和趋势。

范围：

0.1-100微米。

主要的形式有：

直接式、分析式、双联式和旋转式等。

在机器故障诊断方面，铁谱可以起决定性的作用。

但是缺点也是有的：

铁谱只能侧到5微米以上的磨粒，但是5微米已经超过了微量的范围；铁谱对非金属元素检测能力差；在谱片的大颗粒区易有小颗粒沉积，测量准确度降低；对取样要求高，取到有代表性的油样难度较大；而且对分析的可靠性过分依赖人的经验。

b、光谱仪：

分析油中金属磨粒的化学元素含量，对比使用时间和油中金属含量的增加速度，分析设备摩擦副中的磨损情况。

特定是不需要对油样进行预处理，重复性好，自动化程度高，分析速度快，读数准确。

但是在判断磨损类型、预报故障部位等方面存在困难。

光谱仪主要分：

发射式光谱仪ICP（转盘发射光谱）和吸收式光谱仪FTIR（付氏变换红外光谱）。

a、发射式光谱仪主要用来分析油品中所含的金属元素（添加剂、磨损、污染）的种类和含量。

在很短的时间内能完成几十种元素的分析，并与标准样品对比。

b、吸收式光谱仪主要用来分析有机化合物中有效组分和基因。

对油品在工作过程中，受摩擦热等作用，生成的化学变化产生的酸化物、硝化物、胶质和积碳等，进行检测和分析。

三、强有力的润滑油质量保证手段：

1、质量来源与策划，配方的合理性与先进性是奥吉娜的核心竞争力。

奥吉娜的英文即original,意思是“独创、创新”的意思，秉承这样的理念，以留法博士魏国平为首的开发团队，在润滑油产品的研发上奋斗不止。

与高等院校和高科技人才展开的合作也为奥吉娜的技术发展，提供了平台。

三、润滑油的质量保证手段：

2、润滑油是由基础油和添加剂构成的，保证基础油和添加剂的质量，是产品合格的先决条件。

国际四大添加剂巨头：

路博润

润英联（壳牌-美孚）

也是奥吉娜的供应商

乙  基

雪弗龙

奥吉娜的全合成基础油是自己生产的，也是国内唯一PAO生产基地

3、检测水平与润滑油行业的发展是同步的。

奥吉娜拥有国内最大的检测中心，价值2000多万的检测设备，为奥吉娜公司的技术创新和产品质量提供了良好的保证。

奥吉娜公司是中国唯一一家通过FLENDER公司风力发电机组专用齿轮油产品认证的润滑油企业。

五、世界先进的检测设备

工况特点：

      属于闭式齿轮传动类型。

低转速、高转速并存，有振动负荷和冲击负荷，高负荷，气候温差、湿度等影响较大，维修不便

      润滑要求：

      采用油池飞溅式润滑或压力强制循环润滑。

       我国风力发电机多安装在我国的新疆、内蒙古、甘肃及沿海等地区，润滑油受气候温差、湿度等影响较大，并且处于相对偏远的地区，维修不便，因此设计要求齿轮箱使用寿命长、承受负荷大等，所用的齿轮油除了具有良好的极压抗磨性能、冷却性能和清洗性能外，还应具有良好的热氧化稳定性、水解安定性、抗乳化性能、粘温性能、低温性能以及长的使用寿命，同时还应具有较低的摩擦系数以降低齿轮传动中的功率损耗。

定期更换润滑油，第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000~10，000小时。

　　推荐油品：

美孚齿轮油SHCXMP320

 工况特点：

     长期运转温度可达80℃以上，夏天在旷野地带受太阳直射，温度会更高；功率较大,高负荷，冲击负荷。

      润滑要求：

     所用油品应具有良好高温性能、抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能。

    国外主要推荐使用2#～3#稠度的负荷极压锂基润滑脂，要求粘附性好，使用温度范围为-30～150℃。

多采用定期人工加注润滑脂的方式来保证发电机的正常运转。

　　推荐产品：

美孚SHC润滑脂460WT

变桨轴承：

　　工况特点：

　　受环境影响大，功率较大，高负荷，冲击负荷。

　　润滑需求：

　　提高风力发电机在地理位置布局方面的灵活性，要有出众的零部件抗磨保护性能，低温条件下轻松完成起动；处长更换油品间隔，降低服务。

　　推荐产品：

美孚SHC润滑脂460WT

径节齿轮：

　　工况特点：

　　功率较大，高负荷，冲击负荷，受环境、气温影响大，环境潮湿。

　　润滑要求：

　　所用油品应具有良好高温性能、抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能；使用寿命长。

　　推荐油品：

　　美孚齿轮油SHCXMP系列、SHC600系列等。

液压系统/HydraulicSystem

油品推荐：

　　美孚液压油SHC524