風力電機電機發(fā)電機電機組齒輪箱故障診斷作者：張世惠徐海峰郝向中

摘要:通過對不同齒輪箱振動頻譜的檢測結(jié)果的分析，論述了判斷齒輪箱由于長期處于某些惡劣條件下，如交變載荷或潤滑油失效，引起的齒輪和軸承損壞的檢測方法。分析了齒輪箱出現(xiàn)故障的原因以及應采取的措施。

關(guān)鍵詞：風電機齒輪箱軸承狀態(tài)檢測

一、風電機組齒輪箱的結(jié)構(gòu)及運行特征

我國風電場中安裝的風電機組多數(shù)為進口機組。近幾年來，一批齒輪箱發(fā)生故障，有些由廠家更換，也有的由國內(nèi)齒輪箱專業(yè)廠進行了修理。有的風場齒輪箱損障中已占了很大比重，應認真分析研究。

1)過去小容量風電機組齒輪箱多采用平行軸斜齒輪增速結(jié)構(gòu)，后來為避免齒輪箱造價過高、重量體積過大，500kW以上的風電機組齒輪箱多為平行軸與行星輪的混合結(jié)構(gòu)。由于風電機組容量不斷增大，輪轂高度增加，齒輪箱受力變得復雜化，這樣就造成有些齒輪箱可能在設(shè)計上就存在缺陷。

2)由于我國有些地區(qū)地形地貌、氣候特征與歐洲相比有特殊性，可能對標準設(shè)計的齒輪箱正常運行有一定影響。我國風電場多數(shù)處于山區(qū)或丘陵地帶，尤其是東南沿海及島嶼，地形復雜造成氣流受地形影響發(fā)生崎變，由此產(chǎn)生在風輪上除水平來流外還有徑向氣流分量。我國相當一部分地區(qū)氣流的陣風因子影響較大，對于風電機組機械傳動力系來說，經(jīng)常出現(xiàn)超過其設(shè)計極限條行狀態(tài)監(jiān)視可以及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，還可以分析從出現(xiàn)故障征兆到徹底失效的時間，以便及時安排檢修。

3)在我國北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風場極端最低氣溫達到的部件，如齒輪箱。因此必須對齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因為當風速較長時間較低或停風時，齒輪油會因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤滑部位，無法得到充分的潤滑，導歸納起來，我們可以分析在我國風電場經(jīng)常發(fā)生齒輪箱故障可能主要有以下原因：

1、齒輪箱潤滑不良造成齒面、軸承過早磨損

-大氣溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達需潤滑部位而造成磨損

-潤滑劑散熱不好，經(jīng)常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞機械嚙合表面

-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤滑劑“中毒”而失效

2、設(shè)計上存在缺陷

齒輪的承載能力計算一般按照ISO6336進行。當無法從實際運行得到經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，廠家可能選用的應用系數(shù)KA為1.3，但實際上由于風載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計與實際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過大而疲勞破壞。說明當選擇應用系數(shù)KA為1.3時，齒輪傳動鏈中載荷遠超出按假設(shè)設(shè)計值。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當大，而造成軸承損壞。

3、失速調(diào)節(jié)型風電機組安裝角如果設(shè)置過大時，冬季就會出現(xiàn)過功率現(xiàn)象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。

二、風電機組齒輪箱故障診斷發(fā)現(xiàn)隱患，找出導致問題出現(xiàn)的原因，相應采取措施加以解決。從風力電機發(fā)電機組齒輪箱目前發(fā)生的故障來看，齒輪、軸承部件的損壞主要有幾種情況的磨損：粘附磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后，輕則金屬微粒會污染潤滑劑，影響功率傳遞，產(chǎn)生噪音，造成齒面嚴重磨損或斷裂，軸承內(nèi)外圈或滾珠損壞，嚴重的使機組無對風電機組齒輪箱故障進行診斷

我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測儀，對張北風場2臺NTK300/31齒輪箱進行了對比，通過齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動分析，準確地找出了2號機齒輪箱的故障點，既NJ234和NJ320二個軸承損壞，為齒輪箱修復發(fā)現(xiàn)問題及解決問題提供了判定依據(jù)，減少了修理周期，相應提高了設(shè)備可已發(fā)電量：2,923,913kWh

齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234內(nèi)圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動16mm，進而引起，軸承22318和NJ320損壞。

監(jiān)測方式：分別對張北風場兩臺JA/KECS520高速軸：輸出端的振動頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。

圖2振動加速度包絡(luò)線頻譜分析：無明顯損壞

以上監(jiān)測結(jié)果與實際檢查完全吻合。通過對齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測，我們準確的找到了故障的位置和故障點，縮短了齒輪箱修理而造成的風電機組停機時間。

2.應用SKF公司狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電

凌源資訊染，齒輪齒面已有磨損。

系統(tǒng)由三部分組成：狀態(tài)探測器、數(shù)據(jù)管理器及4應用軟件?？赏ㄟ^狀態(tài)探測器讀出機器狀態(tài)，即兩個振動測量值和一個溫度測量值。探測器自動把這些讀數(shù)與預設(shè)參數(shù)作比較，當發(fā)現(xiàn)超出正常值限時立即向操作人員發(fā)出警報。從探測器上發(fā)出的讀數(shù)可立即顯示和存儲在數(shù)據(jù)管理器上，數(shù)據(jù)管理器主要作用是輸入、存儲和對機器狀態(tài)進行檢查。4軟件可簡化數(shù)據(jù)的收集、存儲和分析，繪制出歷史趨勢曲線。

風力電機發(fā)電機組由風輪、齒輪箱及電機發(fā)電機等組成。為了捕獲風資源的需要，整個旋轉(zhuǎn)軸系安裝在幾十米高的塔架上，這就給機組各部位的測量帶來不便。而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分狀態(tài)探測器和數(shù)據(jù)管理器系統(tǒng)的優(yōu)勢

①狀態(tài)探測器既可單獨使用，又可與數(shù)據(jù)管理器在我國北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風場極端最低氣溫達到-40℃以下，而風力電機發(fā)電機組的設(shè)計最低運行氣溫在-20℃以上，個別低溫型風力電機發(fā)電機組最低可達到-30℃。如果長時間在低溫下運行，將損壞風力電機發(fā)電機組中的部件，如齒輪箱。因此必須對齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因為當風速較長時間較低或停風時，齒輪油會因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤滑部位，無法得到充分的潤滑，導致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而損壞。如果機艙溫度也很低，那么管路中潤滑油也會發(fā)生流動不暢的問題，這樣當齒輪箱油不能通過管路到達散熱器，齒輪油溫會不斷上升直至停機。

歸納起來，我們可以分析在我國風電場經(jīng)常發(fā)生齒輪箱故障可能主要有以下原因：

1、齒輪箱潤滑不良造成齒面、軸承過早磨損

-大氣溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達需潤滑部位而造成磨損

-潤滑劑散熱不好，經(jīng)常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞機械嚙合表面

-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤滑劑“中毒”而失效

2、設(shè)計上存在缺陷

齒輪的承載能力計算一般按照ISO6336進行。當無法從實際運行得到經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，廠家可能選用的應用系數(shù)KA為1.3，但實際上由于風載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計與實際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過大而疲勞破壞。說明當選擇應用系數(shù)KA為1.3時，齒輪傳動鏈中載荷遠超出按假設(shè)設(shè)計值。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當大，而造成軸承損壞。

3、失速調(diào)節(jié)型風電機組安裝角如果設(shè)置過大時，冬季就會出現(xiàn)過功率現(xiàn)象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。

二、風電機組齒輪箱故障診斷

通過對風電機組旋轉(zhuǎn)部件的運行特征進行狀態(tài)監(jiān)測，比如實時監(jiān)測齒輪箱、主軸、電機發(fā)電機等部件的振動頻譜、齒輪油污染情況或定期對上述部件的狀態(tài)進行監(jiān)測、記錄，及時發(fā)現(xiàn)隱患，找出導致問題出現(xiàn)的原因，相應采取措施加以解決。從風力電機發(fā)電機組齒輪箱目前發(fā)生的故障來看，齒輪、軸承部件的損壞主要有幾種情況的磨損：粘附磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后，輕則金屬微粒會污染潤滑劑，影響功率傳遞，產(chǎn)生噪音，造成齒面嚴重磨損或斷裂，軸承內(nèi)外圈或滾珠損壞，嚴重的使機組無法轉(zhuǎn)動而徹底停機。當機械部件發(fā)生初期磨損時，其振動頻譜上會產(chǎn)生響應特征頻率，通過測試儀器可以進行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。

1.應用SKF公司CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組齒輪箱故障進行診斷

我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測儀，對張北風場2臺NTK300/31齒輪箱進行了對比，通過齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動分析，準確地找出了2號機齒輪箱的故障點，既NJ234和NJ320二個軸承損壞，為齒輪箱修復發(fā)現(xiàn)問題及解決問題提供了判定依據(jù)，減少了修理周期，相應提高了設(shè)備可用率。

機組情況描述:機型NTK300/31額定功率：300kW

齒輪箱類型:JA/KECS520

安裝風場：張北風電場

已運行時間：30,505h

已發(fā)電量：2,923,913kWh

齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234內(nèi)圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動16mm，進而引起，軸承22318和NJ320損壞。

監(jiān)測方式：分別對張北風場兩臺JA/KECS520高速軸：輸出端的振動頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。

圖2振動加速度包絡(luò)線頻譜分析：無明顯損壞

以上監(jiān)測結(jié)果與實際檢查完全吻合。通過對齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測，我們準確的找到了故障的位置和故障點，縮短了齒輪箱修理而造成的風電機組停機時間。

2.應用SKF公司狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組齒輪箱故障進行測試

采用SKF公司狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對43/600kW風電機組齒輪箱高速端的速度、加速度、溫度進行檢測，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，經(jīng)開箱后發(fā)現(xiàn)齒輪油已嚴重污染，齒輪齒面已有磨損。

系統(tǒng)由三部分組成：狀態(tài)探測器、數(shù)據(jù)管理器及4應用軟件?？赏ㄟ^狀態(tài)探測器讀出機器狀態(tài)，即兩個振動測量值和一個溫度測量值。探測器自動把這些讀數(shù)與預設(shè)參數(shù)作比較，當發(fā)現(xiàn)超出正常值限時立