風力發(fā)電機組齒輪箱故障的診斷

1、摘要:通過對不同齒輪箱振動頻譜的檢測結果的分 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。 關鍵詞：風電機電機齒輪箱軸承狀態(tài)檢測 一、風電機電機組齒輪箱的結構及運行特征 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10 0。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

2、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構，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 星輪的混合結構。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 凌源資訊 分量。我國相當一部分地區(qū)氣流的陣風因子

3、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 端最低氣溫達到-40以下，而風力電機發(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

4、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”

5、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

6、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，軸承內外圈或滾珠損 壞，嚴重的使機組無法轉動而徹底停機。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

7、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， 相應提高了設備可用率。 機組情況描述:機型NTK300/31額定功率：3 00kW 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內圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動 16mm，進而引起，軸承2231

8、8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振動加速度包絡線頻譜分析：無明顯損壞 以上監(jiān)測結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。可通過

9、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 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

10、場極端 最低氣溫達到-40以下，而 風力電機發(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、

11、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

12、損壞。 3、失速調節(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

13、承內外圈或滾珠損 壞，嚴重的使機組無法轉動而徹底停機 。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， 相應提高了設備可用率。 機組情 況描述:機型NTK300/31額定功率：300k

14、W 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：2,9 23,913kWh 齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234內圈擋環(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振動加速度包絡線頻譜分析：無明顯損壞 以上監(jiān)測結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。可通過狀態(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