李維，崔艷東，高煜坤，劉斌斌

（1.中國(guó)廣核新能源控股有限公司，北京 100036；2.河北龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，河北 承德 068457）

新能源行業(yè)得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在多種新能源形式中，風(fēng)電憑借蘊(yùn)藏量大、分布廣泛等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要途徑之一。2020年是風(fēng)電搶裝年，全國(guó)風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)7167萬kW，截至2020年年底，全國(guó)累計(jì)裝機(jī)2.81億kW，平均棄風(fēng)率3%，呈良好態(tài)勢(shì)。

變槳齒圈是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一。其功能是調(diào)節(jié)葉片迎風(fēng)角度，以確保風(fēng)機(jī)能夠捕獲最佳動(dòng)能。在運(yùn)行過程中，由于變槳齒圈長(zhǎng)期在0°齒附近反復(fù)嚙合，因此會(huì)導(dǎo)致0°齒附近的3～5個(gè)齒發(fā)生不同程度磨損。

本文針對(duì)變槳齒圈磨損情況，分析了磨損后果，研究了磨損原因，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了修復(fù)方法。該技術(shù)可供廣大風(fēng)場(chǎng)參考。

1 磨損原因分析

變槳齒圈磨損原因主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）設(shè)計(jì)不合理。變槳系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)包括驅(qū)動(dòng)齒和變槳齒圈，如圖1所示。其中，驅(qū)動(dòng)齒的齒數(shù)一般為14～16個(gè)，而變槳齒圈的齒數(shù)往往超過140個(gè)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理一般認(rèn)為，當(dāng)大齒輪的齒數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小齒輪時(shí)，在傳動(dòng)過程中，大齒輪的齒嚙合次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于小齒輪，故應(yīng)將大齒輪設(shè)計(jì)為軟齒面，將小齒輪設(shè)計(jì)為硬齒面，以保證二者磨損程度盡量相同。然而，在風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)中，絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都是變槳齒圈0°齒附近的3～5個(gè)齒參與嚙合，極少出現(xiàn)一圈齒參與嚙合的情況。在該情況下，變槳齒圈將加速磨損。此外，由于變槳齒圈成本高且更換代價(jià)大，而驅(qū)動(dòng)齒更換相對(duì)簡(jiǎn)單且代價(jià)小，因此應(yīng)設(shè)計(jì)為變槳齒圈更耐磨。

圖1 變槳系統(tǒng)

（2）微動(dòng)嚙合頻繁。變槳系統(tǒng)運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)齒和變槳齒圈嚙合非常頻繁。尤其是隨著風(fēng)機(jī)功率設(shè)計(jì)的不斷增大，變槳?jiǎng)幼黝l率也逐漸增加。例如，某進(jìn)口品牌風(fēng)機(jī)，其功率為2.6MW，葉輪每轉(zhuǎn)一圈，變槳系統(tǒng)都要?jiǎng)幼饕淮?，以保證風(fēng)機(jī)能獲取最佳的風(fēng)能。

（3）潤(rùn)滑效果差。變槳齒圈為開式齒輪，開式齒輪的潤(rùn)滑效果差一直是難以解決的問題。變槳系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，黏附在齒表面的潤(rùn)滑脂被逐漸擠壓離開嚙合齒面，導(dǎo)致齒面磨損加速，如圖2所示。尤其是近年來風(fēng)機(jī)運(yùn)維成本持續(xù)下降，甚至存在運(yùn)維人員缺乏責(zé)任心，沒有認(rèn)真涂抹潤(rùn)滑脂，更會(huì)加劇變槳齒圈的磨損。

圖2 變槳齒圈磨損

2 磨損后果

變槳齒圈出現(xiàn)磨損后，針對(duì)磨損量的不同，會(huì)導(dǎo)致不同程度的后果。以某國(guó)產(chǎn)品牌1.5MW風(fēng)機(jī)為例，分析如下。

2.1 磨損量達(dá)到2mm時(shí)

根據(jù)《GB/T 29717-2013 滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》，變槳齒圈齒面、齒根應(yīng)進(jìn)行表面淬火，表面硬度為50HRC～60HRC，有效硬化層深度不得低于2mm。因此，當(dāng)磨損量大于2mm時(shí)，磨損速度將大大加快，而磨損量變大后，修復(fù)方法將更加復(fù)雜，修復(fù)工時(shí)更長(zhǎng)，修復(fù)成本也更高。

2.2 磨損量達(dá)到3.4mm時(shí)

《GB/T 32077-2015風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變槳距系統(tǒng)》指出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定載荷下，變槳距系統(tǒng)定位誤差不應(yīng)大于0.75°。若采用統(tǒng)一變槳距控制的變槳距控制系統(tǒng)三個(gè)葉片的不同步不應(yīng)大于1°。計(jì)算得到，當(dāng)磨損量達(dá)到3.5mm時(shí)，齒圈已經(jīng)無法保證足變槳定位誤差要求。需要指出的是，該磨損量是指單面磨損量，而不是兩面磨損量的總和。

2.3 磨損量達(dá)到3.6mm時(shí)

參考《JBT 5664-2007 重載齒輪 失效判據(jù)》可知，任何一種磨損，或數(shù)種磨損同時(shí)存在，當(dāng)齒根兩側(cè)耗損量之和ΔS（mm）與齒輪法向模數(shù)mn（mm）的百分比M（M=ΔS/mn）達(dá)到或超過相關(guān)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)被判為失效。針對(duì)變槳齒圈，當(dāng)兩側(cè)總磨損達(dá)到3.6mm時(shí)即失效。需要指出的是，一般變槳齒圈的磨損為單面磨損，因此，建議單面磨損量達(dá)到3.6mm時(shí)即判斷為失效，避免出現(xiàn)更嚴(yán)重的問題。

2.4 磨損量達(dá)到4mm時(shí)

依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，從振動(dòng)和噪聲角度考慮，硬齒面低速齒輪磨損量允許達(dá)模數(shù)的1/3，變槳軸承齒模數(shù)為12mm，其兩邊共計(jì)極限磨損量為4mm左右。即當(dāng)磨損量達(dá)到4mm時(shí)，變槳系統(tǒng)傳動(dòng)將出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲。

2.5 磨損量達(dá)到4.5mm時(shí)

根據(jù)《ISO 6336-5:2003 Calculation of load capacity of spurand helical gears.Strength and quality of materials》，當(dāng)齒的兩邊磨損量達(dá)到4.5mm時(shí)，會(huì)有強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)，即此時(shí)有輪齒折斷的風(fēng)險(xiǎn)。如果出現(xiàn)輪齒折斷，必須馬上停機(jī)進(jìn)行維修，否則，齒輪傳動(dòng)振動(dòng)劇烈，會(huì)導(dǎo)致更多輪齒發(fā)生折斷。

3 修復(fù)方法

傳統(tǒng)的解決方案，是將葉片進(jìn)行吊裝下來，隨后更換變槳齒圈，再吊裝上去進(jìn)行安裝。該解決方案周期長(zhǎng)，成本高，發(fā)電量損失大。近年來，多個(gè)風(fēng)場(chǎng)嘗試采用在線修復(fù)，即人員上塔修復(fù)，修復(fù)工期短，成本低，不影響風(fēng)場(chǎng)發(fā)電。修復(fù)過程包括幾點(diǎn)。

（1）表面清理。采用清洗劑，對(duì)修復(fù)表面進(jìn)行清理，除去表面的油污、異物等雜質(zhì)。

（2）表面打磨。對(duì)表面生銹處及粗糙處進(jìn)行打磨，直至出現(xiàn)金屬光澤，具備焊接條件。

（3）加熱去氫。采用熱風(fēng)槍對(duì)修復(fù)面進(jìn)行加熱，去除表面的水分，避免后續(xù)修復(fù)出現(xiàn)氫脆等問題。

（4）焊接。采用專用焊條，在磨損面進(jìn)行堆焊修復(fù)。堆焊時(shí)，應(yīng)盡量降低焊接熱輸入，控制層間溫度，避免組織晶粒粗大以及冷裂紋。焊接過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)去除焊渣，避免出現(xiàn)夾渣等缺陷。

（5）打磨修型。焊接完成后，對(duì)修復(fù)齒面進(jìn)行打磨，打磨過程中須使用齒形板進(jìn)行齒形檢測(cè)，當(dāng)齒形滿足要求后，停止打磨。

（6）質(zhì)量檢查。用探傷劑檢查是否有裂紋等缺陷，用硬度計(jì)檢測(cè)修復(fù)后齒面硬度，用齒形板和游標(biāo)卡尺檢測(cè)齒形誤差，檢查沒有質(zhì)量問題后，可以結(jié)束修復(fù)工作。

4 工程應(yīng)用

該技術(shù)在某國(guó)產(chǎn)品牌風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，修復(fù)前后效果如圖3、4所示?？梢钥吹?，修復(fù)后，齒形得到恢復(fù)，齒面硬度提高，探傷無裂紋等缺陷。目前，該風(fēng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了一年多，運(yùn)行狀況良好，且未再次出現(xiàn)磨損問題。

圖3 修復(fù)前

圖4 修復(fù)后

5 結(jié)語(yǔ)

變槳齒圈是風(fēng)電機(jī)組核心部件之一。風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，變槳齒圈容易出現(xiàn)磨損，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行。本文分析了變槳齒圈磨損的后果及原因，介紹了一種新的修復(fù)工藝，可為廣大風(fēng)場(chǎng)提供參考。