風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障分析及改進(jìn)措施

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障分析及改進(jìn)措施【摘要】我國(guó)風(fēng)電企業(yè)正努力實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化,推動(dòng)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件,對(duì)機(jī)組質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用,及早地發(fā)現(xiàn)齒輪箱的早期故障以及盡快找到齒輪箱故障原因,采取相應(yīng)的措施,對(duì)避免發(fā)生重大人身、設(shè)備傷亡事故有著十分重要的意義?！娟P(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障改進(jìn)措施風(fēng)電機(jī)組一般安裝在荒郊野外、山口、海邊等偏遠(yuǎn)地區(qū)，增速箱、發(fā)電機(jī)等部件又安裝于距地面幾十米高度的狹小的機(jī)艙內(nèi)，因?yàn)闄C(jī)艙空間有限、環(huán)境惡劣、交通不便，齒輪箱一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)十分困難。如果齒輪箱出現(xiàn)故障后不能在塔上維修須下塔處理的話，維修費(fèi)用較高，且整個(gè)維修周期較長(zhǎng)，將嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此減小風(fēng)電齒輪箱出現(xiàn)故障的幾率，提供風(fēng)電齒輪箱易維護(hù)性，將是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)中需重點(diǎn)考慮的問題。一、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)行現(xiàn)狀近年來隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大,以及風(fēng)電機(jī)組的投運(yùn)時(shí)間的逐漸累積,由齒輪箱故障引起的機(jī)組停運(yùn)事件時(shí)有發(fā)生。風(fēng)機(jī)停止工作,一是機(jī)器有效運(yùn)行時(shí)間降低,發(fā)電量減少;二是風(fēng)機(jī)停止發(fā)電,會(huì)加大風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性,增加并網(wǎng)難度;還有就是廠商要派遣專業(yè)維修人員進(jìn)行維修,如果故障嚴(yán)重,還要?jiǎng)佑么笮推鸬豕ぞ?這會(huì)給廠商造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行正確的早期預(yù)警,以及發(fā)生故障后能夠迅速查找到故障源,進(jìn)行正確的故障處理,盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行是非常有必要的。二、電機(jī)組齒輪箱特征頻率的計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱有三種類型：低速直接驅(qū)動(dòng)采用無增速齒輪箱；混臺(tái)驅(qū)動(dòng)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)；高速驅(qū)動(dòng)有多緩齒輪箱。由于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的直徑較千瓦級(jí)的更大，轉(zhuǎn)速更低，要求齒輪箱的增速比更高，所阻兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱大多采用多級(jí)齒輪結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單如下圖所示，第一級(jí)是結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固的高轉(zhuǎn)矩行星齒輪，第二和第三級(jí)為平行軸圓柱齒輪。由于結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性的不同，各零部件有不同的特征頻率，比如固有頻率。我們通過機(jī)組參數(shù)可以查表或計(jì)算其特征頻率。嚙合頻率是指任意相互嚙合的兩個(gè)輪齒均轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所用時(shí)間的倒數(shù)。計(jì)算公式為：GMF=ZW(21)式中GM7為嚙合頻率：Z為齒輪齒數(shù)：W為齒輪轉(zhuǎn)速。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)圖三、常見故障齒輪故障。在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱所有組成零件中,齒輪的失效比例最大。其主要失效形式有:齒面磨損、齒面點(diǎn)燭、齒面膠合、齒面塑性變形以及輪齒折斷。（1）齒面磨損。齒面磨損的常見形式有腐燭磨損、磨粒磨損和低速磨損三類。第一：腐燭磨損。腐燭磨損是由于潤(rùn)滑油中的某些活性成分會(huì)和齒輪材料緩慢發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的磨損。腐燭磨損以化學(xué)腐蝕為主,腐燭磨損會(huì)導(dǎo)致齒面上產(chǎn)生一系列小坑。第二：磨粒磨損。磨粒磨損是由于有金屬微?；蚱渌操|(zhì)界物落入齒面之間而引起的磨損。磨粒磨損是開式齒輪傳動(dòng)最常見的失效形式；閉式傳動(dòng)新齒輪在磨合后未予及時(shí)清洗或密封不良等導(dǎo)致潤(rùn)滑油污染時(shí),也會(huì)引起磨粒磨損。磨粒磨損會(huì)使齒面產(chǎn)生劃痕,齒面顏色變暗,磨損劇烈時(shí)甚至導(dǎo)致齒厚變薄發(fā)生齒形變化。第三：低速磨損當(dāng)齒輪圓周線速度過低(小于0.5m/s)時(shí),相嚙合齒面間的彈性流體動(dòng)力膜厚會(huì)變薄,相嚙合齒面因直接接觸發(fā)送連續(xù)性磨損,這種磨損稱為低速磨損。（2）齒輪輪齒損傷。齒箱故障中，輪齒故障比例最大。輪齒損傷有輪齒折斷、齒面損傷兩種形式。輪齒折斷是由于設(shè)計(jì)的應(yīng)力小于作用在輪齒上的極限應(yīng)力，或齒輪承受過高的交變載荷，設(shè)計(jì)疲勞載荷不足。由于齒面承受過大的接觸剪應(yīng)力、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、潤(rùn)滑不良、熱處理和安裝調(diào)試等原因，齒面容易發(fā)生包括膠合、點(diǎn)蝕、齒面剝落、表面壓碎等損傷。圖1、2為風(fēng)電齒輪箱齒面損傷和輪齒折斷照片。圖1：齒面損傷圖2：輪齒折斷2、基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)及載荷處理方法方面的問題。風(fēng)電齒輪箱工作環(huán)境惡劣,所承受的載荷情況非常復(fù)雜,因此符合實(shí)際的載荷數(shù)據(jù)及其處理方法是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。我國(guó)不但缺少?gòu)?fù)雜載荷數(shù)據(jù),而且處理方法也不夠成熟,對(duì)風(fēng)電機(jī)組在工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的制動(dòng)載荷、極限載荷等載荷情況的處理還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。此外,在變載荷處理過程中運(yùn)用的線性積累損傷理論也并不能真實(shí)反映實(shí)際破壞情況。因此,設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)有問題,也就無法得到載荷數(shù)據(jù)。3、齒輪早期點(diǎn)蝕。在頻繁受到風(fēng)載變化沖擊的情況下,齒輪的微動(dòng)磨損超過一般設(shè)計(jì)的預(yù)期,從而造成齒輪早期點(diǎn)蝕。防止齒輪早期點(diǎn)蝕的關(guān)鍵在于輪齒修形。在確定修形參數(shù)時(shí),需要獲得準(zhǔn)確的載荷來計(jì)算齒輪偏載,再根據(jù)偏載情況進(jìn)行修形,而且需要考慮載荷波動(dòng),要盡可能保證齒輪在各種工況載荷及其組合的作用下都具有良好的接觸區(qū)。4、軸承早期損壞。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電齒輪箱幾乎全部采用進(jìn)口軸承,主要的國(guó)外廠商有瑞典SKF、德國(guó)FAG等公司。國(guó)內(nèi)兆瓦以上設(shè)備所用的軸承仍處于研發(fā)階段,以洛軸、瓦軸等為代表的一些企業(yè),紛紛加大研發(fā)力度。其中,洛軸是國(guó)內(nèi)最早研制、生產(chǎn)風(fēng)電軸承的企業(yè),在國(guó)內(nèi)首家成功開發(fā)出1.5MW風(fēng)電軸承。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,早期風(fēng)電齒輪箱故障大多是由軸承引起的。隨著技術(shù)的成熟,目前軸承引起的故障明顯降低,但仍有約50%的故障由軸承損壞造成。軸承損壞的主要原因是系統(tǒng)的受力變形導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈不再平行,滾子局部接觸應(yīng)力過大。因此,精確的軸承壽命計(jì)算方法對(duì)風(fēng)電齒輪箱軸承的設(shè)計(jì)、選擇非常重要。5、齒輪箱油溫過高。最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪箱油溫不能超過85°，造成齒輪箱油溫過高的有以下幾種因素：潤(rùn)滑不充分；傳動(dòng)部件存在卡滯現(xiàn)象；機(jī)組振動(dòng)過大；溫度傳感器故障等。正常情況下，齒輪箱不會(huì)出現(xiàn)油溫過高現(xiàn)象，若齒輪箱出現(xiàn)異常高溫現(xiàn)象，需仔細(xì)分析，判斷發(fā)生故障的原因。首先應(yīng)檢查潤(rùn)滑油供應(yīng)是否充分；再次檢查齒輪嚙合情況，有無金屬雜質(zhì)，傳動(dòng)部件有無卡滯現(xiàn)象；再次檢查機(jī)組的振動(dòng)情況和溫度傳感器是否正常工作。如果是因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)時(shí)間滿發(fā)而導(dǎo)致的溫度過高，不可盲目開機(jī)，應(yīng)在機(jī)組油溫恢復(fù)正常值后開機(jī)運(yùn)行。齒輪油位低。齒輪油位低是由于油位低于下限，可能的故障原因有：冬季長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后油溫度降低，油位開關(guān)因?yàn)辇X輪油粘度太高而動(dòng)作遲緩，產(chǎn)生誤報(bào)；傳感器損壞不能正確報(bào)警；齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)前的靜止油位與動(dòng)態(tài)油位相差太大，動(dòng)態(tài)油位偏低，不能正常報(bào)警。風(fēng)電機(jī)組發(fā)生該故障后，運(yùn)行人員應(yīng)及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)檢查齒輪油位，必要時(shí)測(cè)試傳感器功能。此類故障應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出正確的判斷，以免造成不必要的重大損失。減速器常見故障處理。偏航減速器能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，跟隨風(fēng)向的變化而變化，在偏航完成過后就開始制動(dòng)機(jī)艙的運(yùn)轉(zhuǎn)。間歇工作之間起停很是頻繁。因?yàn)橛邪惭b位置對(duì)它形成了障礙，就常使用多級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)。經(jīng)過多年的運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來看，減速器工作還是采用雙偏航減速器驅(qū)動(dòng)的時(shí)候比較正常。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的那一類風(fēng)電機(jī)組的減速器的工作情況就不樂觀，檢查發(fā)現(xiàn)減速器的行星齒有疲勞的現(xiàn)象。四、風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理振動(dòng)問題是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要問題，隨著機(jī)組容量的增加,大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于結(jié)構(gòu)體積的增大和彈性增加,更加容易引發(fā)振動(dòng)問題,因此機(jī)組在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該進(jìn)行機(jī)組的固有特性計(jì)算、可能會(huì)引起的諧振問題的分析和可能引起諧振的運(yùn)行區(qū)域分析,從而避免這些現(xiàn)象。風(fēng)輪、塔架、機(jī)械傳動(dòng)鏈的固有頻率相互間不能太接近,同時(shí)它們和激勵(lì)源的頻率也不可以太接近，大型變速機(jī)組的振動(dòng)問題,主要集中在4個(gè)方面:（1)風(fēng)輪的氣彈效應(yīng);(2)機(jī)械傳動(dòng)鏈的扭曲振動(dòng),可能會(huì)受到氣動(dòng)效應(yīng)和電氣特性的激勵(lì);(3)偏航運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)問題;(4)風(fēng)輪塔架耦合的整機(jī)振動(dòng)。這幾個(gè)振動(dòng)源會(huì)相互影響,相互作用,經(jīng)常需要綜合起來考慮，葉片的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問題可分為氣動(dòng)彈性靜態(tài)穩(wěn)定性和氣動(dòng)彈性動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性兩種。五、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用在我國(guó)目前還處于起步階段。國(guó)內(nèi)各大風(fēng)電整機(jī)企業(yè)陸續(xù)幵始在各自的樣機(jī)產(chǎn)品上試驗(yàn)性安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備,但都沒有批量安裝。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不短加大和保險(xiǎn)市場(chǎng)的成熟,在風(fēng)電機(jī)組上配置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將成為一種必然趨勢(shì)。1、油樣檢測(cè)。（1）PRUFTECHNIK油品檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：顆粒數(shù)的分類和統(tǒng)計(jì)。該系統(tǒng)通過集成的信號(hào)處理器連續(xù)的監(jiān)控、環(huán)形緩沖、適合各種潤(rùn)滑油、可測(cè)量油溫、適合高低流速、防雷電,其通訊接口為:ModbusTCP。（2）力士樂的風(fēng)機(jī)油品在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用油中顆粒和水分檢測(cè)傳感器,分別監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中的顆粒和水份。2、信號(hào)的在線檢測(cè)。信號(hào)的在線檢測(cè)必須滿足兩方面的要求。（1）在線(on—line)。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備是指機(jī)器運(yùn)行（生產(chǎn))過程（系統(tǒng))中的檢測(cè)。是在生產(chǎn)線上的進(jìn)行，故屬于在線檢測(cè)；（2）動(dòng)態(tài)過程具有多方面的信息，沒有必要都檢測(cè)，所選擇的信號(hào)及其在機(jī)器上的部位都要能敏感地反映工況特征信息的變化。機(jī)械故障診斷中的測(cè)試系統(tǒng)是1個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)包含著許多環(huán)節(jié)：以適當(dāng)?shù)姆绞郊?lì)被測(cè)對(duì)象、信號(hào)的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換、信號(hào)的調(diào)理、顯示和記錄。分析與處理等。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)把來自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成更適合于進(jìn)一步傳輸和處理的形式。這時(shí)的轉(zhuǎn)換多數(shù)是電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，包括濾波、限幅、隔直、解調(diào)等。信號(hào)處理環(huán)節(jié)將信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算、濾波、分析。將結(jié)果輸至顯示、紀(jì)錄或控制系統(tǒng)。在這些環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間應(yīng)保持一一對(duì)應(yīng)和盡量不失真的關(guān)系．并盡可能減小或消除各種干擾。3、信號(hào)的特征選取分析。鑒于直接檢測(cè)信號(hào)大都是隨機(jī)信號(hào)，它包括了大量的與故障無關(guān)的信息，一般不宜作判別量。需要用現(xiàn)代信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理方法把直接檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為能表達(dá)工況狀態(tài)的特征量。對(duì)于某些具有規(guī)律的信號(hào)。也可以從波形結(jié)構(gòu)上提取特征量。特征分析的目的是用各種信號(hào)處理方法作為工具，找到工況狀態(tài)與特征量的關(guān)系，把反映故障的特征信息和與故障無關(guān)的特征信息分離開來。實(shí)際生產(chǎn)中，各個(gè)特征量對(duì)工況狀態(tài)變化的敏感程度不同，應(yīng)當(dāng)選擇敏感性強(qiáng)、規(guī)律性好的特征量，達(dá)到“去粗存精”的目的。六、改進(jìn)措施1、齒輪件的精加工及修形。研究表明，較低的表面粗糙度對(duì)抑制齒面微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和改善齒面間的潤(rùn)滑條件、減少磨損、降低摩擦、延長(zhǎng)齒輪副的運(yùn)行壽命及增強(qiáng)抗腐蝕疲勞的能力均有著十分明顯的作用。目前國(guó)內(nèi)齒輪件的表面粗糙度要求為Ra0.8，甚至低于這個(gè)要求。據(jù)報(bào)道，國(guó)外最終齒面粗糙度可達(dá)Ra0.2---Ra0.4，這一工藝目前在我國(guó)尚未采用。建議齒輪箱制造商應(yīng)充分利用現(xiàn)有工藝手段，通過改變磨削介質(zhì)和工藝參數(shù)，采用精磨方法盡量接近上述目標(biāo)，以便為批量生產(chǎn)高性能風(fēng)電齒輪箱提供硬件保證。另外，提高齒輪件的加工精度，利用先進(jìn)的技術(shù)和軟件進(jìn)行齒輪的修形，可避免齒輪在傳動(dòng)中受載變形，減小偏載，使載荷平穩(wěn)過渡，明顯降低齒輪箱的噪聲和振動(dòng)。2、齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高速軸部套故障在風(fēng)電齒輪箱故障中占有較高比例，是齒輪箱極易出現(xiàn)故障的部件，如若高速軸不具備可拆卸條件，高速軸部套出現(xiàn)故障后齒輪箱只能進(jìn)行下塔維修，維修成本及維修周期將增加。因此，齒輪箱在設(shè)計(jì)過程中，高速軸部套須具備可拆卸的條件。早期設(shè)計(jì)的齒輪箱，大多齒輪箱高速軸不具備可拆卸的條件。在后續(xù)產(chǎn)品維修過程中，高速軸單元須做進(jìn)一步的優(yōu)化，使高速軸具備可拆卸的條件。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)電齒輪箱也提出了更高的要求。因海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本較高，要求除了高速軸部套具備可拆卸條件外，其他部套亦具備可拆卸的條件，因此風(fēng)電齒輪箱的模塊化設(shè)計(jì)要求將更高。七、日常維護(hù)日常對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)包括檢查齒輪箱的外觀，電氣接線等。主要的工作任務(wù)包括：清潔齒輪箱的箱體外觀；檢查齒輪箱的潤(rùn)滑油管路是否泄漏，管路接口是否松動(dòng)；齒輪箱箱底的放油閥有沒有松動(dòng)或者滲透；檢查油位，油色以及油標(biāo)是否正常。如發(fā)現(xiàn)油的顏色變成了黑色而且還比較深，這時(shí)就應(yīng)該要及時(shí)更換新油品。檢查機(jī)組運(yùn)行時(shí)齒輪箱的振動(dòng)和噪音狀況。濾清器的堵塞而導(dǎo)致了報(bào)警，就應(yīng)該及時(shí)的查找故障原因必要時(shí)要更換濾芯，同時(shí)觀察油品顏色和雜質(zhì)是否正常。安裝濾清器的外殼時(shí)應(yīng)注意積極線程，受力應(yīng)要均勻，以免損壞螺紋。檢查齒輪箱的散熱器是否堵塞，可以通過反向冷卻進(jìn)行清理，或者用刷子進(jìn)行清掃。結(jié)束語(yǔ)：隨著風(fēng)力發(fā)電裝備行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)日趨主流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及零部件的可靠性將是研發(fā)中關(guān)注的重點(diǎn)。本文介紹的齒輪箱軸承常見失效模式及其解決方案，旨在幫助設(shè)備制造商選取更適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱應(yīng)用的軸承解決方案，力求不斷優(yōu)化齒輪箱的設(shè)計(jì)，使齒輪箱得到大幅的提升。參考文獻(xiàn)：[1]施鵬飛．從世界發(fā)