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偏航齿圈断裂分析与研究

摘要：南方风电场的，风湍流强度大、风向变化频繁，为了最大捕获风能，

机组需偏航追踪风向变化，但频繁启停偏航容易造成机组偏航系统故障。本次研

究深入的研究了某风电场33号风机偏航齿圈偏航大齿断齿故障，提出风电场偏

航大齿断齿故障产生的原因及解决方法。

关键词：风电场；偏航；偏航大齿；断齿

一、引言

南方风电场风向突变降低了风电机组风能捕获效率，造成风力发电机组需要

频繁的偏航，降低了偏航系统使用寿命，现有山地风电场急需进行偏航系统整体

维护，提高偏航系统可靠性，提升发电能力。

二、偏航大齿断齿故障原因分析

齿轮断齿分为轮齿折断、齿面疲劳、齿面胶合、齿面磨损这四类〔1〕。这四

类故障的严重程度由重至轻。一旦发生齿轮折断问题，则发电机组不能发电，必

须全面检修，将故障排查后才能投入运行。

齿轮断齿问题产生的原因一般为偏航大齿的结构产生了变化〔2〕。风电场偏

航齿圈的断齿的问题体现在五个方面：

（一）33号风机偏航大齿点蚀现象

由于偏航齿圈结构原因，33号风机偏航大齿暴露在塔筒内部，上方为偏航制

动盘，偏航刹车是刹车片及制动盘磨损产生的细微颗粒掉落在偏航大齿润滑脂内，

在齿轮啮合的过程中，细微颗粒在偏航过程中遭受挤压导致偏航大齿齿面上产生

一个细小微粒状的点蚀，如果该点蚀持续扩大，则齿轮会发生裂纹变化。

（二）33号风机偏航大齿胶合现象

再检查33号风机断齿情况时，明显发现风机在偏航时发生很大的异响及振

动，可以断定33号风机偏航大齿与偏航小齿之间发生了胶合现象。为了防止胶

合，需采用黏度较大或抗胶合性能较好的润滑油及提高齿面硬度与降低表面粗糙

度等措施。

（三）33号风机偏航大齿齿面疲劳现象

齿轮疲劳的现象产生，齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。

这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力。轮齿表面在这种

切应力反复作用下，引起局部金属剥落而造成损坏。其损坏形式有麻点疲劳剥落、

浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落三种。浅层疲劳剥落，它持续运作会转化为硬化

层疲劳剥落，当出现硬化层疲劳剥落时，已经意味着齿轮材料的物理性能已经发

生了极大的变化，这是将要发生偏航齿轮箱轮齿断故障的先兆。

（四）33号风机偏航大齿断裂现象

当齿轮出现硬化层疲劳剥落后，依然持续运转，已经发生物理性能变化的齿

轮持续承受负荷后便会发生断齿故障，断齿故障分为整体断裂、局部断裂、裂纹

断裂，现场检查33号风机偏航系统情况，发现偏航驱动器在正常推动偏航大齿

圈偏航对风，刹车片及制动盘磨损产生的细微颗粒掉落在偏航大齿润滑脂内，在

偏航减速器小齿轮与偏航大齿圈之间发生挤压，使得偏航齿轮产生点蚀、胶合、

齿面疲劳、齿轮开裂等现象，导致偏航大齿强度下降，以至断裂发生。

（五）33号风机偏航大齿倒拖现象

检查刹车片时发现偏航制动缸漏油及偏航大齿润滑脂脱落，导致偏航刹车摩

擦力降低，大风情况下制动力不足，机舱出现“倒拖”，在极端大风情况下，机

舱“倒拖”，导致偏航大齿与驱动齿冲击，最终出现裂纹或断裂情况。致使偏航

大齿发生断裂。33号风机3号偏航大齿局部断裂。

三、技术分析

（一）偏航制动器、偏航大齿、偏航刹车盘分析

从33号风机偏航系统实际调查来看，可以发现偏航制动器漏油严重，偏航

大齿表面润滑脂内较多铁屑等固体碎屑，表面润滑脂有脱落现象，偏航偏航刹车

盘液压油污染严重，刹车片磨损严重，存在刹车片与刹车盘铁磨铁的现象。刹车

片磨损和刹车盘的油污染会极大降低偏航制动力的保持，大风情况下极易产生机

舱的“倒拖”；机舱“倒拖”对偏航驱动和偏航齿圈存在较大的冲击，容易导致

齿面受力超过设计安全裕度。

（二）偏航驱动与偏航齿圈啮合分析

风机进行偏航时，偏航驱动小齿与偏航齿圈大齿进行挤压，使得偏航大齿节

点P处受力最大，以节点P处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力，

在大风情况下，风机发生“倒拖”现象时，驱动力Ft增大，导致偏航大齿受力

Fn增大，从而导致偏航大齿断裂〔4〕。

（三）数据分析

根据风电场SCADA高分辨率分析来看，33号风机在发生断齿前现场风速波动

极大，以33号风机在故障前后10分钟内为例。最大风速为27.5m/s，平均风速

为14.3m/s，最小风速为0m/s，在风机满负荷工况下给风