内蒙古华电新能源分公司 苑 杰 白虎明 张德胜 张海波 陈宇通
摘 要：近年来中国风力发电高速发展，很多风电机主机厂商为了追求发展速度、市场占有率,而忽视了产品质量问题。导致存在大量的安全隐患。近期，在国内外多地的风场都发生风电机主轴断裂导致叶轮运行中整体脱落的事故，这不得不使要我们认真思考其中的问题，汲取事故教训。
关键词：风电机；主轴；断裂；思考
随着中国风力发电十年间的高速跨越式发展，很多风电机主机厂商片面的追求发展速度、市场占有率而忽视了产品质量，装机容量、规模看起来“高、大、上”，而产品质量却不尽如人意，尤其是风电机大部件质量原因导致恶性事故频发，主机厂家被动善后的背后，物资、人力、吊装机械大量投入，企业形象严重受损，经济效益更是无从谈起。例如，2015年内蒙古西部风电场发生一起风电机组齿轮箱嵌入式低速主轴断裂导致风电机叶轮运行中整体脱落事故，如图1。
内蒙古某风电场XX-1.5MW机组于2009年8月首次并网发电，11月中旬进入240小时预验收并通过，转入正式商业运营。投产后，该风力发电机组每年开展一次半年级检修和一年级检修。2015年初进行一次专项隐患排查工作，8月中旬开展综合治理，在此期间对齿轮箱做内窥镜检查时，发现该机组高速轴打齿，随即停机，8月下旬将高速轴更换完毕，机组恢复运行,之后运行一直比较稳定。
事故当日平均风速超过15m/s，风电机所有检修工作暂停。次日8时40分，风电场检修班安排刘某担任工作负责人，工作班成员王某、张某共同处理该台风电机电气系统故障。SCADA所报告警信息为“发电机转速差异小”“轮毂转速波动超过极限”“轮毂速度信号差异”。根据故障描述，检修人员判断产生此故障的原因有以下几种：
1.轮毂滑环编码器故障；轮毂滑环支撑杆固定不牢、横向联轴节松动；轮毂滑环编码器线至PLC之间某段线路断开；
2.发电机与齿轮箱间联轴器出现打滑，发电机编码器故障，发电机编码器线故障，
3.超速继电器故障。
根据上述分析，检修人员做了如下检查和处理：
图1 风电机叶轮整体坠落后现场
图2 风电机叶轮及叶片坠地照片
（1）按下机组急停按钮，锁上叶轮锁，进入轮毂内部检查：轮毂滑环表面完好，滑环支撑杆及横向联轴节紧固正常，校核轮毂滑环至控制柜编码器线导通正常，轮毂内部无异常情况；
图3 发生坠落轮毂内部照片
图4 机组主轴承测点采集的时域波形图(0-10Hz)
图5 主轴承测点采集的频谱图（0-10Hz）（1800r/min）
（2）检查齿轮箱与发电机间联轴器及固定螺栓，联轴器无异常，螺栓固定牢固无异常，轴向及横向均无打滑痕迹；
（3）检查发电机编码器及编码器线正常，校核编码器线导通正常；
（4）校核机舱控制柜内编码器线至PLC之间所有接线，导通正常；
（5）此时打开叶轮锁，松开急停，将机组打到服务模式，手动偏航对风，变桨缓慢展开叶片使轮毂转速维持在200r/min,通过控制面板观察轮毂转速以及发电机转速，编码器转速正常，轮毂转速波动较大，此时观察控制柜超速继电器发现：超速1继电器脉冲信号不正常，超速2继电器脉冲信号正常，此时停下风机，拍下急停，更换超速1继电器；
（6）更换超速1继电器后，松开急停，偏航对风，缓慢变桨将轮毂转速维持在200r/min至500r/min之间，通过控制面板观察轮毂转速以及发电机编码器转速，均平滑正常，观察速度1继电器脉冲信号，信号反馈正常，速度2继电器信号正常；
（7）退出机舱登陆状态，整理好工具及备件后下风机。
10月27日10∶40分，塔基控制柜登陆控制面板，启动风机，启动正常，实时风速为12m/s左右，负荷保持在1500kW左右。观察轮毂转速以及发电机转速：发电机转速1800r/min，轮毂转速1800r/min，转速正常，在塔基控制柜观察数据5分钟，未发现异常情况。
图6 风电机跳闸时段实时风速
图7 事故发生时段发电机转速
14时20分，风电机功率突降至0kW，叶轮转速和发电机转速突降至0r/min，风电机通讯中断，中断前机组运行参数：有功功率1498 kW、瞬时风速15.86m/s、平均风速14.56m/s。库伦风电场值班人员刘某发现该情况后，汇报现场负责人宋某，随后安排检修人员与风电机厂家到该台风电机现场巡查。随即发现风电机轮毂连同三只叶片坠落在地面，三只叶片及轮毂均有不同程度损伤，风电机齿轮箱主轴断裂，机舱罩壳损坏，塔筒门扶梯被坠落的叶片砸坏。现场图片见图2、图3：
图8 事故发生时段叶轮转速
图9 事故发生前后时段齿轮箱高速轴轴承温度（反向）
图10 风电机齿轮箱嵌入式主轴断裂照片
1.对风电机振动测点的监测数据分析如下：
事故发生前机舱振动传感器未检测到异常，同时某公司在风电机安装的在线振动监测设备在事故发生前也未监测到任何异常，当时监测数据如图4。
最后一次采集数据12点45分，机组（0-10Hz）有效值为0.076 m/s2。
按照VDI3834标准的要求，主轴承测点0-10Hz有效值第一限度0.3m/s2，有效值第二限度为0.5m/s2，FL-058机组振动值未超限。排除由于风电机振动过大导致主轴断裂。
2.对比风电机故障时段风速、叶轮、发电机转速、齿轮箱轴承温度等参数如图6所示：
风电机通讯中断时运行数据：有功功率1498 kW，瞬时风速15.86m/s，平均风速14.56m/s，如图7-9。
经过上述对比可发现，事故发生前后风速、叶轮、发电机转速、齿轮箱轴承温度均未发生突变，排除突然大风所导致主轴额外负荷。经过对该风电机主轴断面进行外观检查发现，主轴为齿轮箱嵌入式低速主轴，该主轴内部锈蚀严重，发展方向为由内而外，而且从外部目视无法观测到该缺陷，初步分析该台风电机主轴在制造过程中内部存在缺陷，在监造过程中并未发现，加之该风电机齿轮箱主轴运行多年，内部金属疲劳逐渐积累导致内部缺陷不断扩大，直到本次发生撕裂断开，最终导致叶轮与齿轮箱主轴脱开坠落。
事故发生后，风电场立即与主机厂家售后服务人员对风电场风机主轴、叶轮进行宏观裂纹检查，特别是将发生过高速轴打齿和出现振动异常的机组列为重点排查对象，优先进行排查。要求主机厂家对风电机组齿轮箱低速轴进行无损探伤。
风电场出现上述事故经过上述分析得出结论：此次事故的原因完全是由于主轴设备质量原因所导致，而设备生产厂家的管理环节的缺失正是导致此次事故的主要原因，设备厂家在对主轴进行采购过程中设备监造的薄弱环节最终让主机厂家付出了昂贵的代价，设备采购方专业力量不足，派驻监造现场的人员良莠不齐，监造过程流于形式。而设备监造本身需要较高的本专业技能、丰富的技术经验，并熟悉GB/T 19000-ISO9000系列标准和各专业标准，同时监造人员应专业配套，熟练掌握监造设备合同技术规范、生产技术标准、工艺流程，并具备良好的职业操守。监造过程中，相关监造技术人员并未严格按照供货合同的要求对工程项目所需设备在制造和生产过程中的工艺流程、制造质量以及设备的制造单位的质量体系进行有效监管，再加上设备制造单位质量管理体系的漏洞，直接导致了主轴设备缺陷的发生。
中国风电事业在经历大发展、大跨越的同时也经历着故障率居高不下、恶性事故频发的阵痛，正确的衡量发展速度与行业健康发展的关系才是目前我们急需考虑的问题。
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