摘要：针对风力发电机组偏航减速器小齿轮断裂的现象，分别从齿轮材料、装配、冲击载荷和低温四个方面进行了详细的分析，并提出了相应的解决措施，提高了风力发电机组的运行稳定性，也为后续机组设计提供了宝贵的现场经验。
1.引言
风力发电机组地处环境比较恶劣的地区，所受载荷比较复杂，而且冬季最低温度低于-30℃，风速经常超过20m/s，风向变化较频繁。风机的偏航系统主要起到对风作用，它与风力发电机组的测风系统和控制系统相互配合，使叶轮始终处于迎风状态，来保证风力发电机组能够获得最大的风能。由于各种复杂的原因及载荷使得偏航系统更容易失效。某风场于2007年初并网运行，在2009年初开始发现偏航减速器小齿轮有断裂现象，损坏比例大概为10%，超过了损坏的正常值。
2.偏航系统的构成和原理
机组偏航系统中主要包括：偏航电机、偏航减速器(包含偏航小齿轮)、偏航轴承(包含偏航大齿轮)、偏航制动器及相关的其它部件，如图1。
机组采用主动偏航对风方式，安装在风机上的风向标及时准确的测出风向，然后传输给风机的偏航控制系统，控制系统根据风向标信号启动偏航电机，偏航电机驱动偏航减速器，偏航减速器小齿轮驱动偏航轴承外圈大齿轮，使风机对风。偏航系统中偏航制动器为液压钳式制动器，当机组迎风运行时，液压系统提供一定的压力，保证机组平稳运行;当风向发生变化需要偏航时，液压系保持一定余压，偏航制动器提供必要的制动力矩，大大减少风机在偏航过程中的冲击载荷，可使机组平稳偏航。
3.偏航小齿轮断裂分析
3.1材料分析
偏航小齿材料为42CrMo，直径为235mm，齿面设计硬度HRC50～HRC60，芯部硬度HRC30～HRC40，偏航小齿为锻造、表面渗氮处理。针对断裂的偏航小齿轮选取了2件进行材料分析，编号为1#、2#。
3.1.1宏观分析。小齿起裂位置位于齿根部，断裂部位均位于齿的上半部分(见图2)。断口断面平整，有金属光泽，所有断裂件形貌相似(见图3)。部分未断裂齿轮的下半部位的齿尖有明显外来挤压损伤现象，齿尖变形严重(并非拆卸时留下的)，如图4所示。在未断裂小齿的其他齿面上发现啮合面积只占齿面1/2，上部分齿顶也有磨损现象(见图5)。
3.1.2宏观金相试验。沿两断裂件横向截取试样，制备好后进行浸蚀，发现2件试样均有严重枝晶形貌，如图6、图7所示。
3.1.3力学性能测试。在断裂的1#样品上按照国标加工1件拉伸试样和3件冲击试样。试样加工好后按照国标进行试验，结果见表1对小齿轮进行力学性能测试。
从表1可以看出，小齿轮断面收缩率、冲击值远远低于标准要求，屈服强度、延伸率接近下限，说明材料脆性比较强，冲击韧度较低。
3.1.4显微硬度测试。沿样品横向制备试样，然后进行载荷200g，加载15s的显微硬度曲线测试，结果如图8。
3.1.5微观金相显微硬度测试。
分别在1#、2#试样上磨制金相试验沿试样横向制备试样，1#试样表面有明显脱碳，脱碳层深度约15μm;夹杂物级别为B0.5、D0.5;金相组织较为杂乱，有明显枝晶现象，主要为索氏体+珠光体，边缘索氏体较多，心部索氏体偏少，具体形貌如图9、图10所示。2#试样夹杂物级别为D0.5;边缘未发现脱碳现象;金相组织较为杂乱，有明显枝晶现象，主要为索氏体+珠光体，边缘索氏体较多，心部索氏体偏少。
由以上的分析可知，偏航减速器小齿轮的冲击值、断面收缩率远远低于标准要求，屈服强度、伸长率接近下线，说明材料脆性比较强，冲击韧度较低。偏航小齿的下齿尖部位有明显挤压、碰撞、变形和损伤等塑性变形现象。偏航小齿心部宏观金相组织呈枝晶状，微观金相比较杂乱，索氏体、珠光体杂乱分布，个别齿轮表面还有脱碳现象，心部硬度不均匀，说明材料热加工工艺不恰当。
3.2装配原因分析
在风力发电机组中偏航系统的设计、制造时，为确保减速器输出齿轮与齿圈间能保持合理的齿隙，降低齿圈与机架上减速器安装中心之间的制造难度，通常需要将减速器输出齿轮的中心与安装止口的中心之间做成偏心的形式。可以通过偏心，来调整减速器输出小齿轮与偏航轴承外圈大齿轮的啮合间隙。下面分析影响侧隙的因素。
3.2.1啮合齿轮的中心距变化。
在实际加工制造过程中，造成两个齿轮回转中心分离或靠近，使得两个齿轮的中心距发生改变。在此种情况下，啮合节圆的直径发生改变，从而使得两个齿轮的齿侧隙发生改变。为保持齿轮中心距发生改变时，仍能保证齿轮之间的啮合间隙，需要将实际的中心距调整到理论中心距。
3.2.2齿圈齿厚的变化。
由于加工误差的存在，齿圈的齿厚存在误差，在中心距不改变的情况下，齿轮的啮合间隙也会发生变化，因此为保证侧隙的要求值，需要通过偏心来调整。
偏航大齿轮与小齿轮之间的侧隙是靠减速器输出齿轮的中心与安装止口的中心之间的偏心量来调节的。但由于安装减速器的螺栓孔是等分的，调整偏心量实际上是不连续的，而是离散性的，所以同一台机组的若干个偏航齿轮啮合的间隙不可能相同，若出现侧隙相差较大的情况，各个偏航小齿轮受载不同，也容易引起断齿。
安装减速器的工艺规定：找到偏航轴承齿顶圆的最大标记处，在该处调整齿侧间隙，在齿轮上下两处用压铅丝法，测量齿侧啮合的间隙值为0.4～0.8mm(双边)。上间隙比下间隙大0.05～0.1mm。保证大齿圈转动一周，检查大、小齿轮啮合情况。而从断裂的部分小齿轮来看，起裂位置位于齿根部，断裂部位位于齿的上半部分，断裂部位齿面积小于整个齿面的1/2，明显是受载不均引起的断裂。安装过程中未完全按照安装工艺进行，使得齿轮啮合的上间隙较小，完全受载，引起齿轮断裂。
3.3冲击载荷的分析
偏航减速器只能作为传动部件，不能作为主要的制动部件，正常工作下偏航制动器必须对机舱进行制动，保证偏航减速器不受风载的冲击。机组偏航时，必须保证制动器有偏航余压，确保机组运行的稳定。而检查偏航减速器损坏时的偏航余压，部分机组余压有小幅下降，甚至有的为0bar(正常为25bar)。偏航减速器在偏航运行时频繁受到风载的冲击，导致减速器小齿轮不断受到冲击，最终断裂。制动压力和偏航余压不满足设计要求是偏航减速器小齿轮失效的另一原因。
甚至有些项目位于台风多发地区，瞬时风速大，冲击载荷加速了齿轮的疲劳损伤，同时台风湍流强度大，使部分偏航减速器小齿轮在早期已出现疲劳损伤源，长期运行后，再经过多次大风天气的冲击，逐渐出现裂痕，在大风期间偏航时发生断裂。
3.4低温原因的分析
小齿轮在冬末春初的季节断裂所占比例大，这跟低温有必然的联系。
3.4.1由于低温造成减速器的润滑油粘度增大及偏航轴承润滑脂的变硬，大大增加了偏航系统的阻力，使启动力矩变大，增加了齿轮传动的载荷。
3.4.2日夜温差大也使材料脆性增加，这也就是偏航小齿更容易在冬末春初季节断裂。
3.5解决措施
3.5.1在设计中可以对齿轮进行修形设计，保证齿轮传动的平稳和受载均匀。
3.5.2安装时应严格按照安装工艺进行，保证齿轮啮合间隙在要求范围内，在机组并网调试中需再次进行齿轮啮合间隙的测量，保证齿轮受载的均匀。
3.5.3应严格按照材料热加工工艺对材料进行热处理，加强对材料质量的检验，首先材料要到达设计的要求。
3.5.4低温环境更容易造成减速器小齿轮的断裂，因此设计时要充分考虑低温对材料、润滑油等的影响。
4.结束语
国内风力发电机组技术逐渐趋于成熟，设计水平也不断再提高。但还是存在一些问题，我们要注视出现的问题，从中吸取更多的经验教训，为以后优化设计提供宝贵的现场经验。
原标题：风力发电机组偏航减速器小齿轮断裂分析
