【案例分享】风机齿轮箱可靠性及六西格玛分析改进探究

风机齿轮箱可靠性及六西格玛分析改进探究

作者：王丽敏

●● 文章摘自《中国质量》杂志2020年第七期

●● P26

该案例以风机齿轮箱高速轴报高温故障为切入点，将可靠性及六西格玛管理方式融入公司产品改进过程，体现预防为主的质量理念，降低产品总费用，减少停机时间，供质量圈朋友借鉴。

齿轮箱作为风电机组传动链上的关键一环，其可靠性的高低决定了提供给客户的风电机组稳定、可靠发电能力的高低，所以需要从根本上降低设备的故障率，提供设备的维修及时性。

在整个发电机组故障中，齿轮箱故障占比约15%～ 20%，是一个高价值、高故障率的核心部件。齿轮箱的故障中，轴承的高温故障比例约48%，研究解决齿轮箱的高温问题迫在眉睫。

01 现状分析

故障模式及目标风场选择

改进团队选取2016年至2017年8月的齿轮箱不符合项报告（NCR）数据作为分析基础，调查出2兆瓦（MW）机型的齿轮箱符合数量最高（占比 80%），其中目标厂家占比48%且供应商配合度较高。

因此，团队选择2MW机型目标厂家生产的齿轮箱作为改进方向。从图1中看出齿轮箱高速轴报高温故障占比最高，因此将其选定为本次齿轮箱改进项目的目标，选择一个典型故障风场作为齿轮箱高速轴报高温的目标风场。

图1目标厂家2MW齿轮箱主要故障模式分布

改善目标

齿轮箱报高温月发生1.75次/台，每次停机约10.9分钟。团队将改善目标定为：通过一年时间的改进，令风机齿轮箱报高温发生率下降50% 。

02 原因分析

运用故障树方式分析

故障树分析时，确定顶事件为主控报齿轮箱风轮侧轴承温度超过 95℃导致机组停机故障；内外边界确定时，团队认为外边界确定研究齿轮箱风轮侧高速轴报高温现象的研究广度，内边界确定研究的深度（见图2）。

图2   故障树分析内外边界定义

●●针对齿轮箱高速轴运行报高温现象，改进团队对热量的来源进行了分析。轴承运行时产生摩擦，导致滚珠轴承发热。温控阀失效导致热量不能及时散出，不能及时进行热交换。图3为齿轮箱轴承分析框图，展现出了各相互因素作用关系。

图3   齿轮箱轴承高温分析框图

通过简化故障树、建立故障树教学模型和求最小割集的方法进行故障树的定性分析，通过计算顶事件的概率，重要度分析和灵敏度分析进行故障树定量分析（见图4），在分析的基础上识别设计上的薄弱环节，采取相应措施。

图4   齿轮箱风轮侧高温故障树

●●通过对温控阀失效底事件进行深入分析，温控阀在使用一定的年限（正常可往复运动3万次）后，温控阀中温包密封介质的失效会造成其无法工作，即不能在润滑油温度变化后切换油路，实现对润滑油的冷却，造成高速轴高温或油池油温高故障（见图5）。

图5   温控阀工作原理

油液清洁度差和滤芯堵塞增大了温控阀触发频率，加速了温控阀失效。外界环境风沙较大，散热板表面灰尘严重，导致散热能力下降，温控阀动作次数增加，导致温控阀过早失效。

结论表明，温控阀失效并非质量问题，而是因为接近设计使用寿命。温控阀损坏的主要原因取决于风场使用条件。从使用时间和使用环境来看，温控阀的寿命满足设计要求，故定性其为易损件。

●●针对喷油孔堵塞失效底事件， 团队再进行深入分析（见图6）。针对喷油孔堵塞失效底事件分析其 原因有两个，其一为喷油孔设计过小；其二为润滑系统中滤芯使用的单项阀存在脱落堵塞油孔现象。

图6 喷油孔堵塞原因探究

03 解决方案

改进团队从7个维度（耗费时间，实施成本，可执行性，底事件最小割级阶数，底事件出现频次， 底事件实际发生频次，改进空间对改进措施评分决策）分别进行评分（见表1），总分最高的底事件改进将重点实施。

表1 改进措施决策表

综上所述，针对评分较高的主控设置及策略、温控阀失效、喷油孔堵塞、冷却器结垢堵塞进行重点改进。

●●主控设置及策略：修改相关控制参数（见表2），修改控制逻辑。

表2 控制参数的设定值

●●针对温控阀失效问题，目前 2MW产品使用的石蜡式温控阀大概寿命在3万次左右就会有因石蜡泄露开始有失效的风险。

●●针对温控阀失效，团队提出了以下改进措施：优化温控阀位置，便于更换；开发压力随动阀代替现有温控阀，压力随动阀的机械弹簧设计寿命100万次；有条件的风场检验增加离线过滤器，去除润滑油颗粒物、氧化产物，保证油品质量。

●●针对喷油孔堵塞问题，将目前喷油孔为2-¢3调整为2-¢3.5；在喷油板中开孔，增加回油散热效率。除此之外，因润滑系统中滤芯使用的单项阀存在脱落堵塞油孔现象，团队使用止动O型圈的锥面密封单项阀，在滤筒底部增减过滤网，防止异物进行润滑管路。

●●针对冷却器结垢堵塞问题， 团队增加冷却器定期维护，冷却器被柳絮、杨絮、芦苇絮及灰尘等堵塞，造成冷却效果差，增加清扫装置定期清扫，保证冷却器、散热器散热效果，针对冷却器结垢的问题，研究专用清洗剂，用高压枪进行清洗。

04 实施过程

05 效果确认

统计齿轮箱高温发电量损失，目标风场2018年3～6月总高温故障477次，机组数67台，齿轮箱报高温月发生1.78次/台，每次停机约10.9分钟/次。2018年齿轮箱报高温月发生次数=报高温总次数÷机组台数÷月份总数=477÷67÷4=1.78次/台。2019年实测3～6月报高温故障201次，机组数67台，齿轮箱报高温月发生0.75次/台，每次停机约10.9分钟/ 次。所以，2019年齿轮箱报高温月发生次数=报高温总次数÷机组台数÷ 月份总数=201÷67÷4=0.75次/台。

齿轮箱报高温发生率下降=（2018年3 ～ 6 月报高温总次数－2019年3～6月报高温总次数） /2018年3～6月报高温总次数×100%=（477－201）÷477×100%=57.8%。实现了项目原来制定的目标：下降50%。

以年减少发电量损失来计算，相比改进前的年减少发电量损失=故障停机时间（小时）×容量（2000 千瓦）×每千瓦上网电价（0.5元/千瓦）=［2018年齿轮箱报高温月发生次数－2019年齿轮箱报高温月发生次数）×每次停机时间］÷60分钟/小时×12个月×每千瓦度电价格×机组台数=［（1.78－0.75）×10.9］÷60分钟/小时×12月×2000千瓦 ×0.5元/千瓦×67台≈150441元。

06 小结与点评

01

通过改善团队的力量，深入剖析了齿轮箱高速轴报高温原理，并使用故障树分析工具，得到根本原因，针对根本原因进行改进控制。各项措施落地，使目标风场降低故障率。此案例使用的方法、工具可进行延伸推广，用可靠性方法进行根本原因分析，是公司解决质量问题思路之一。

02

本次用的可靠性六西格玛方法执行改进项目，主要强调制定极高的目标、收集数据以及分析结果，通过这些来减少产品和服务的缺陷，是一种全面质量管理方法不断拓展到企业流程设计、改善和优化的技术，提供了一系列同等地适用于设计、生产和服务的新产品开发工具，继而全球化、服务化成为全世界上追求管理卓越性的企业最为重要的战略举措。

03

该案例正是运用可靠性的科学方法，对质量问题进行深入剖析，运用故障树等方式，借助 DMAIC流程，利用团队的力量，进行现场问题分析和排查，最终解决质量问题。利用可靠性方法进行相关质量问题控制。