風力發(fā)電機軸承新標準介紹.doc

風力發(fā)電機軸承新標準介紹風力發(fā)電機用軸承大致可以分為三類，即：偏航軸承、變槳軸承、傳動系統(tǒng)軸承(主軸和變速箱軸承)。偏航軸承安裝在塔架與座艙的連接部，變槳軸承安裝在每個葉片的根部與輪轂連接部位。每臺風力發(fā)電機設備用一套偏航軸承和三套變槳軸承(部分兆瓦級以下的風力發(fā)電機為不可調(diào)槳葉，可不用變槳軸承)。1 代號方法 風力發(fā)電機偏航、變槳軸承代號方法采用了JBT 104712004中轉(zhuǎn)盤軸承的代號方法，但是在風力發(fā)電機偏航、變槳軸承中出現(xiàn)了雙排四點接觸球式轉(zhuǎn)盤軸承，而此結(jié)構(gòu)軸承的代號在JBT 104712004中沒有規(guī)定，因此，在本標準中增加了雙排四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的代號。由于單排四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的結(jié)構(gòu)型式代號用01表示，而結(jié)構(gòu)型式代號02表示的是雙排異徑球轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)，因此規(guī)定03表示雙排四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)。2 技術要求21 材料本標準規(guī)定偏航、變槳軸承套圈的材料選用42CrMo，熱處理采用整體調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后硬度為229HB269HB，滾道部分采用表面淬火，淬火硬度為55HRC-62HRC。由于風力發(fā)電機偏航、變槳軸承的受力情況復雜，而且軸承承受的沖擊和振動比較大，因此，要求軸承既能承受沖擊，又能承受較大載荷。風力發(fā)電機主機壽命要求20年，軸承安裝的成本較大，因此要求偏航、變槳軸承壽命也要達到20年。這樣軸承套圈基體硬度為229HB-269HB，能夠承受沖擊而不發(fā)生塑性變形，同時滾道部分表面淬火硬度達到55HRC-62HRC，可增加接觸疲勞壽命，從而保證軸承長壽命的使用要求。22低溫沖擊功 本標準對偏航、變槳轉(zhuǎn)盤軸承套圈低溫沖擊功要求：20Akv不小于27J，冷態(tài)下的Akv值可與用戶協(xié)商確定。風力發(fā)電機可能工作在極寒冷的地區(qū)，環(huán)境溫度低至40吧左右，軸承的工作溫度在20C左右，軸承在低溫條件下必須能夠承受大的沖擊載荷，因此，要求軸承套圈的材料在調(diào)質(zhì)處理后必須做低溫沖擊功試驗，取軸承套圈上的一部分做成樣件或者是與套圈同等性能和相同熱處理條件下的樣件，在20C環(huán)境下做沖擊功試驗。23 軸承齒圈 由于風力發(fā)電機軸承的傳動精度不高，而且齒圈直徑比較大，齒輪模數(shù)比較大，因此，一般要求齒輪的精度等級按GBT100952-2001中的9級或者10級。但是由于工作狀態(tài)下小齒輪和軸承齒圈之間有沖擊，因此，軸承齒圈的齒面要淬火，小齒輪齒面硬度一般在60HRC，考慮到等壽命設計，大齒輪的齒面淬火硬度規(guī)定為不低于45HRC。24 游隙 偏航、變槳軸承在游隙方面有特殊的要求。相對于偏航軸承，變槳軸承的沖擊載荷比較大，風吹到葉片上震動也大，所以要求變槳軸承的游隙應為零游隙或者稍微的負游隙值，這樣在震動的情況下可減小軸承的微動磨損。偏航軸承要求為小游隙值，即0-501m。另外，由于風力發(fā)電機偏航和變槳軸承的轉(zhuǎn)動都由驅(qū)動電機驅(qū)動，軸承在負游隙或小游隙狀態(tài)下應保證驅(qū)動電機能驅(qū)動，因此，軸承在裝配后需要空載測量啟動摩擦力矩，具體力矩數(shù)值根據(jù)主機驅(qū)動系統(tǒng)的不同也不盡相同。 25 防腐處理 風力發(fā)電機設備在野外工作，而且偏航、變槳軸承的一部分是裸露在外面的，會受到大氣污染，高濕度的環(huán)境也會腐蝕軸承基體， 因此，裸露在外面的偏航和變槳軸承的部位要求進行表面防腐處理，一般采用鍍鋅處理。 根據(jù)需要，在鍍鋅層外部進行刷漆保護處理。（來源： 51軸承網(wǎng)）風力發(fā)電機組齒輪箱故障診斷風力發(fā)電機組齒輪箱故障診斷S 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。 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。有的風場齒輪箱損壞率高達4050%，極個別品牌機組齒輪箱更換率幾乎接近100%。雖然齒輪箱發(fā)生損壞不僅僅在我國出現(xiàn)，全世界很多地方同樣出現(xiàn)過問題，但在我國目前風電機組運行出現(xiàn)的故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)超過其設計極限條件的情況。作為傳遞動力的裝置-齒輪箱，由于氣流的不穩(wěn)定性，導致齒輪箱長期處于復雜的交變載荷下工作。由于設備安裝在幾十米高空，不可能容易地送到工廠檢修，因此經(jīng)常進行狀態(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(短時)最低氣溫達到-40以下，而風力發(fā)電機組的設計最低運行氣溫在-20以上，個別低溫型風力發(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、設計上存在缺陷 齒輪的承載能力計算一般按照ISO6336(德國標準DIN3990)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設計值。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、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備的狀態(tài)監(jiān)測。 1.應用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組齒輪箱故障進行診斷 我們采用狀態(tài)監(jiān)測儀，對齒輪箱進行了對比，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，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，相應提高了設備可用率。 機組情況描述:機型NTK300/31(NEG/MICON早期產(chǎn)品) 額定功率：300kW 齒輪箱類型: JA/KE CS520 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 (IM1)內(nèi)圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動16mm，進而引起，軸承22318 (HS)和NJ320 (IM2)損壞。 監(jiān)測方式：分別對張北風場兩臺JA/KE CS520 (NTK300/31)齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測 監(jiān)測對象：1號齒輪箱為在齒輪箱廠才修過且運行不滿1年；2號為有問題齒輪箱 監(jiān)測狀態(tài)：風電機組投運，并網(wǎng)發(fā)電 監(jiān)測時間：2h 取樣/分析程序： 1) 所有軸承端蓋的水平和垂直方向各取1個點 2) 風電機組并網(wǎng)，依次在各取樣點提取振幅和頻率數(shù)據(jù) 3) 在計算機中進行頻譜分析，得知軸承、齒輪嚙合狀況。若發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)頻譜特征，結(jié)合齒輪箱的運行參數(shù)，推斷引起問題的因素。 4) 建立狀態(tài)分析檔案，跟蹤質(zhì)量檢查。 監(jiān)測結(jié)果： 1號齒輪箱：齒輪間嚙合及軸承運行工況良好。 2號齒輪箱： 1) 輸入軸：出現(xiàn)齒輪箱的嚙合頻率及其高倍的諧波分量，說明軸承狀態(tài)良好，齒輪運行存在缺陷。 2) IM1軸： 輸入端：出現(xiàn)了缺陷頻率和諧波分量，說明軸承狀態(tài)及齒輪運行不良。 輸出端： 出現(xiàn)大量的缺陷頻率和諧波分量并加雜大量邊頻，說明軸承己明顯損壞，齒輪的嚙合不良。 圖1 振動加速度包絡線頻譜分析：軸承外環(huán)明顯損壞3) IM2軸：出現(xiàn)不少軸承缺陷特征，說明軸承有問題，如圖1。 4) 高速軸：輸出端的振動頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。 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.利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組齒輪箱故障進行測試 采用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對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。 探測器自動把這些讀數(shù)與預設參數(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?？珊喕瘮?shù)據(jù)的收集、存儲和分析，繪制出歷史趨勢曲線。 風力發(fā)電機組由風輪、齒輪箱及發(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)管理器便于隨身攜帶，因而十分適合對風電機組的重點部位進行狀態(tài)測量。 1) 系統(tǒng)優(yōu)勢 狀態(tài)探測器既可單獨使用，又可與數(shù)據(jù)管理器聯(lián)合使用。當單獨使用時，根據(jù)報警信號可對機組測量點的實時狀態(tài)馬上作出判斷，十分方便。當需要了解機組運行當中的某個過程時，將采集到的數(shù)據(jù)傳到MDM中進行保存，然后再進行詳細分析。 由于系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)既包括振動速度，又包括包絡加速度，因此我們不但可以發(fā)現(xiàn)低頻到中頻的故障如不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、松動等，又可檢測到軸承及齒輪的缺陷，這一點對風電機組尤為重要。此外，對溫度的測量，可以幫助分析軸承溫度，對故障的判斷起到一定的幫助作用。 2) 系統(tǒng)的不足 系統(tǒng)作為一種較為簡易的狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，其分析和診斷功能較為薄弱。通過對測量數(shù)據(jù)進行趨勢分析，我們僅能看到其在一段時間內(nèi)的總體水平；如果發(fā)現(xiàn)了某些測量點的數(shù)值超出報警限值，也僅能做出一個早期故障的判斷，而對于故障的具體來源及原因便無從得知，這時就需要借助更為先進的工具，來做進一步的分析，如FFT頻譜分析、頻譜趨勢分析、時間波形分析等，以便對故障做出準確判斷。 3) 由于現(xiàn)階段對風力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測所作的工作還非常有限，因此我們在設定測量值的報警限值時還有一定的困難。設定準確的報警水平既需要有機組振動監(jiān)測的經(jīng)驗，又需要有被監(jiān)測機組正常振動水平的經(jīng)驗，只有當我們了解了正常的振動水平，才會發(fā)現(xiàn)機組的異常振動。這就需要我們對機組的每個測量點作長時間的監(jiān)測，收集其振動發(fā)展趨勢信息。當測量點的振動趨勢表明機組處于一個持久的良好工作條件時，就可把報警值設定在這個趨勢水平之上。此外，當對機組進行修理后，如果必要的話，也需要對報警水平進行調(diào)整。 3.現(xiàn)場測量點的選擇 根據(jù)目前風電機組的實際運行情況，通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件，因此在常規(guī)的監(jiān)測中，可將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機前后軸承分別作為測量點。這樣做是基于如下的考慮： 1) 當機組的主要軸承失效時，機組就得停機。監(jiān)測軸承的振動可以較早發(fā)現(xiàn)軸承故障，這就為及早安排必要的維修提供了寶貴的時間。 2) 由于軸承承載著機器的負荷，許多典型的機械問題如不平衡、不對中、松動等都會將振動信號傳給軸承。因此通過監(jiān)視軸承的振動，就會同時發(fā)現(xiàn)上述典型機械故障及軸承缺陷。 4.存在問題 1) 缺乏足夠數(shù)據(jù) 由于缺乏任何可供比較的歷史運行數(shù)據(jù)，因而分析引發(fā)缺陷的原因有一定難度。如，是不對中、不平衡、機件松動還是軸彎曲等引起的損壞。 2) 缺乏經(jīng)驗 針對位于齒輪箱內(nèi)部的軸承及齒輪嚙合的診斷，狀態(tài)監(jiān)測還存在一定的難度，這是由于數(shù)據(jù)采集探頭距離監(jiān)測點較遠，該診斷須排除其他干擾因素，以達到準確判斷，需要進一步探索。 三、結(jié)論 綜上所述，我們認為：對于齒輪箱齒輪、軸承的故障診斷尚處于摸索時期，還需要有一定的時間和更多的實踐，由于我們對為數(shù)不多的幾臺風電機組的齒輪箱進行了分析，難免存在有一定的片面性，但其效果經(jīng)證實是有效的。 我們采用狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)對風力發(fā)電機組齒輪箱進行檢