2024年3月26日发(作者：)

浅析风机齿轮箱齿系断齿原因

摘 要：在“十三五”期间我国可再生新能源发展突飞猛进，特别是绿色、

可再生、无污染的风电新能源迅速崛起，截止2020年我国并网风电装机容量达

到28153万千瓦；我国“十四五”规划明确提出加快发展可再生能源，大力提升

风力发电规模，风电将成为我国加速碳中和进程的重要力量。目前已投产的风机

大多数使用多级变速齿轮传动，随着单机容量越来越大及风电场现场气候变化多

端，对已投产的风机面临极大的挑战。齿轮箱作为风机的主要传动变速系统，既

要承受正常负载能量又要抵御极端天气所带来的巨大压力。因此风机齿轮箱内部

会出现中速轴、高速轴齿系断齿情况，增加风机非计划停运次数及损失电量。因

此，本文通过对南高齿FD2250B风机齿轮箱齿系断齿原因开展分析，为今后的齿

轮箱维护、保养、检修提供宝贵经验。

关键词：风机；齿轮箱；断齿；原因

一、引言

齿轮箱是风机主传动链设备，当发生齿轮箱内部断齿机械故障时，导致风机

停机时间较长，作业人员工作强度增大，作业时间较长；降低风机可利用率，增

加设备检修维护成本。野牛风电场位于昆明市东川区铜都镇野牛村南部山脊及西

南迎风坡区域，海拔在3100-3300m之间，风电场冬春季节易出现极端气候条件，

比如：暴风、结冰、风频快速变化、湍流强度变化等。影响风机齿轮箱的主要外

在因素归纳为极端气候条件，长期交变载荷作用，恶劣工作环境和综合载荷作用，

其他设备故障引起连锁故障，检修维护质量等；内在原因主要是齿轮箱装配技术

工艺质量、齿系本身质量、齿轮油质量、齿轮箱冷却系统保护、齿轮箱过滤器等

问题。

我风电场自从2016年投产以来，已发生多次齿轮箱中速齿和高速齿断齿事

件，对今后的风机安全稳定运行带来巨大的挑战。因此对风机传动系统的相关问

题如果不给予更大的重视，随着风机服役的时间越来越长，会增加风机齿轮箱断

齿故障率；特别是在大风季，由于风速超过规定作业风速，不能及时进行处理，

造成发电量损失严重。中速齿更换还需要吊车到现场进行吊装作业，增大作业安

全风险和检修费用。

根据《风力发电机组 齿轮箱设计要求》（GB/19073-2018）相关要求，本文

从齿轮、轴承、润滑油脂、发电机载荷、环境条件等方面对齿轮箱齿系断齿原因

进行分析。

二、风电机组齿轮箱断齿案例背景

（一）失效零件、结构介绍

箱主体结构

（二）技术要求

材料：18CrNiMo7-6

硬化层深：2.5-3.1mm（磨齿前）

齿面硬度：58-64HRC，芯部硬度33-45HRC

晶粒度：6级

（三）齿轮箱中速轴断齿信息

图一 南高齿

FD2250B风机齿轮

南京高速齿轮

制造有限公司的中齿轴在运行过程中发生断齿现象，通过委托厂家进行技术分析。

根据齿轮箱断齿信息，该中齿轴用于野牛风电场一期、二期风机齿轮箱，齿轮箱

型号为FD2250B，齿轴的材质牌号为标准DIN EN 10084:2008中18CrNiMo7-6，

齿的表面进行了渗碳处理，中齿轴在使用了约3年后，发生断齿现象，图二为中

速轴断裂齿的宏观形貌。

图二 中速轴断裂齿的宏观形貌

图

三 齿轮箱中速轴断齿图

（四）齿轮箱高速轴断齿信息

南京高速齿轮

制造有限公司的齿轮箱高速轴在运行过程中齿轮箱振动数据异常，通过对齿轮箱

进行内窥镜检查，发现齿轮箱高速轴存在断齿现象，厂家进行技术分析。根据齿

轮箱断齿信息，该高速轴用于野牛风电场一期、二期风机齿轮箱，齿轮箱型号为

FD2250B，齿轴的材质牌号为标准DIN EN 10084:2008中18CrNiMo7-6，齿的表面

进行了渗碳处理，齿轮箱运行了约3年后，发生断齿现象，图四为高速轴断裂齿

的宏观形貌。

图四 高速轴断裂齿的宏观形貌

图五 齿轮箱高速轴断齿图

三、风电机组齿轮箱断齿原因分析

（一）齿轮箱中速轴断齿原因分析

1、齿轮失效分析

齿轮箱在传动过程中，如果齿轮出现折断、齿面损坏等现象，此时风机不能

按照正常出力运行，如果齿面损坏严重，则需将风机停止运行，防止事故扩大，

这种现象称为齿轮失效。齿轮失效主要是齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面

塑性变形等。

（1）齿面点蚀：在轴系齿面有很小的一片接触面积，在负载的不断变化下

和湍流的激烈变化下，齿表面就会产生细微的疲劳裂纹或金属麻点脱落，齿面就

形成不同程度的麻点，造成齿面不光滑，此现象多发生在齿轮箱中速轴和高速轴

齿系上，可以通过提高齿轮箱齿面强度和润滑油质量来解决。

（2）齿面胶合：在齿轮箱高速运转或满负荷条件下，啮合区温度升高引起

润滑效果不好，使金属表面相互黏连，在长期运行过程中，较软的齿面就会形成

沟纹，主要发生在齿面啮合处，齿面胶合可采用黏度大的的专用复合齿轮润滑油，

同时要求齿轮箱制造工艺和安装工艺、强度符合标准。

（3）齿面磨损：齿轮之间有一定间隙，啮合面会产生较大的相对滑动，长

时间摩擦产生的，多发生在齿轮接触表面，需提高齿轮硬度，减小齿轮粗糙度，

提高齿轮油的润滑频率，加大模数和提高密封状态。

（4）齿面塑性变形：齿轮低速运行，但负载过大，使得齿面压力过大，多

发生在中速轴高速轴系齿面，会造成断齿或齿面大面积损坏，通过减少齿轮所受

载荷，减少齿轮所受外界应力，减少小风时的启动频率。

2、宏观检测与SEM分析

采用体显微镜

和扫描电镜（SEM）分别对断裂齿断口表面进行观测，观测结果见图六至图十二。

图七为断裂齿的整个断口形貌图，图七为图六断口中疲劳源区域的放大观测图，

该区域表面放射线明显，图八和图九为疲劳源处的微观形貌，显示该区域存在团

状缺陷，尺寸约568um*544um，图十至图十二分别是图七中A区、B区、C区的微

观形貌，A区、B区、C区4表现为明显的疲劳辉纹特征。

图六 断裂齿实物照片

图七 断裂齿的疲劳源区域放大观察图（疲劳被纹线）

图九 疲劳源区微观形貌

图十 图七中A区的微观形貌-疲劳辉纹

图十一 图七中B区的微观形貌-疲劳辉纹

图十二 图七中C区的微观形貌-疲劳辉纹

3、SEM-EDS分析

为了进一步分析疲劳源区域，将样品至于扫描电子显微镜下进行观察，并采

用能谱仪对疲劳源区进行化学元素面分析，检测结果如图十三所示。由测试结果

可知，疲劳源处AI、O等元素含量异常，远高于基体中的含量。为进一步确认疲

劳源区元素含量，用能谱仪对疲劳源区进行点分析，定性及半定量结果见表1，

分析部位和谱图如图十四所示。

图十三 疲劳源

区元素面分布图

图

十四 疲劳源区点分析部位和谱峰图

4、运行维护分析

（1）未严格按照齿轮箱说明书执行检查，未明确齿轮箱润滑油、密封元件

和其他元件的具体服务间隔；

（2）日常巡视中，未制定检查齿轮箱碎屑的方法和检查结果解释；

（3）未明确提取齿轮油样本的方法、针对不同齿轮箱运行工况设置污染限

值及超标时需采取的措施，建议每6个月进行一次油品分析；

（4）齿轮油黏度和化学参数（水分、添加剂）的失效标准及超过限值时需

采取的措施；

（5）在计划内和计划外维护时，未明确如何更换易损件，如过滤器、传感

器、冷却器、加热器、齿轮泵轴承及其他监测装置；

（6）针对齿轮箱内窥镜检查发现的重要问题，未做到及时主动停机更换；

针对主动下架的齿轮需返厂进行检测，并出具检测报告；

（7）轴不对中会对齿轮箱运行状态产生较大的影响，当轴受到超过疲劳极

限的瞬时冲击载荷作用，或长期工作在较大偏载的工况下，在使用过程中会受到

过大的瞬时冲击载荷作用，发生转轴弯曲，造成齿轮箱轴不平衡。齿轮和轴承均

是安装在轴上，由于力的传递作用，导致齿轮的啮合状况也会发生变化，最终导

致齿轮失效情况发生。

（二）齿轮箱高速轴断齿原因分析

1、齿轮失效分析

通过综合分析判断，齿部实际的啮合情况良好，材质、硬度和制造等均符合

设计要求（详见RCA分析），而根据整个齿轮仅有一个齿断裂的现象来看：在断

裂齿的断口疲劳裂纹源处存在非金属夹杂物为高速轴断齿的主要原因，加之多因

素叠加引发并导致的疲劳失效故障。

2、RCA分析

齿轮箱失效的高速轴返回南高齿进行RCA分析。该失效高速轴的生产制造标

准、前期生产过程的质量检验记录和失效的材料、热处理和烧伤检测结果见表2。

3、断口特征分析和断口检测分析

断裂齿的断口表面表现为疲劳断裂特征。根据断口分析，断口疲劳裂纹源处

存在非金属夹杂物。

四、风电机组齿轮箱优化运行建议

（一）借鉴国内、国外风电机组齿轮箱运行维护的新进经验和技术，通过加

强齿轮箱运行状态监测，及时发现齿轮箱内部故障。

（二）对齿面磨削烧伤进行控制，。制定取样计划对磨削后的烧伤进行检查。

取样频次应依据过程控制的有效性和类似元件的报废率。抽样计划要有正式的书

面工艺研究能力报告支撑。按照ISO14104进行的齿面烧伤腐蚀检查是一种公认

的、有效的检查方法。工作齿面要达到B1级或更高水平，非工作齿面要达到B2

级或更高的等级。

（三）齿轮制造精度按照GB/T 19073-2018风力发电机组齿轮箱设计要求进

行，齿轮件的几何精度应按照ISO1328-1规定，当齿轮安装在轴上后，齿轮的精

度可能会发生变化，因此装配后的齿轮精度应满足表3中的精度等级要求。如果

采用较高的齿轮精度等级，应考虑齿轮和轴装配后再进行磨削加工。

表3 齿轮精度要求

齿轮类型

最大精度等级（ISO1328-1）

外齿轮

6

内齿轮

7

由于生产工艺的限制，氮化内齿轮的跳动和齿距累计总偏差可以采用8

级精度

（四）加强齿面接触数据分析，分析齿面载荷分布情况，从而得到载荷在整

个接触区域的局部分布状态信息；加强齿轮箱运行环境条件分析，对于极端环境

工况，应统计其发生频次及持续时间。

（五）加强齿轮箱的运行维护。避免齿轮箱出现锈蚀情况，定期检查空气过

滤器，避免潮气和灰尘等杂质进入齿轮箱，对不合格的空气过滤器进行更换。在

齿轮箱开盖检查时，禁止任何东西和杂质掉入齿轮箱内部。发现齿轮箱油位低于

标准油位时及时加注同型号齿轮箱润滑油至正常油位。化验不合格的齿轮油及时

进行更换或过滤。加强齿轮箱内窥镜检测频率，及时发现齿轮箱内部缺陷，同时

加强振动监测系统数据分析，对数据异常的风机主动停机检查。加强齿轮箱冷却

系统检查，定期更换齿轮油滤芯。

五、结论

综上所述，断裂齿的断口表面表现为疲劳断裂特征。齿轮箱中齿轴和高齿轴

中存在较多铝的氧化物类非金属夹杂物，由于割裂齿部基体会增加齿轴的脆性，

当非金属夹杂物所在位置正处于中齿轴或高齿轴上某些承受较大疲劳应力的部位

时，则对齿轴的疲劳性能有较大的影响，该齿轴在疲劳应力作用下，于该非金属

夹杂物所在区域萌生疲劳裂纹并不断扩展直至断齿。同时齿轮箱设备的振动、异

常的瞬时冲击载荷输入、瞬时过载等外在综合因素也是可能导致轮齿早起疲劳失

效断裂的重要因素

参考文献

[1]国家标准化管理委员会.风力发电机组 齿轮箱设计要求[S].中华人民共

和国国家质量监督检验检疫总局，GB/19073-2018.

[2]李丰梅.SGS中齿轴断口测试报告[R].南京高速齿轮制造有限公司,2020-

4-30.

[3]刘春 刘兴栋.齿轮箱高速轴失效分析报告.南京高速齿轮制造有限公司，

2019-12.

[4]王明超.风机齿轮箱故障原因分析.名城绘，2019年第01期.

作者简介

周开宇( 1993 -)，男，国投云南风电有限公司东川生产部，675000。