齒輪箱故障分析

1、北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉1Gamesa 機組齒輪箱故障機組齒輪箱故障原因分析原因分析2022年5月18日北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉2Gamesa機組簡介G52/58機組為典型的“丹麥設計”風電機組水平軸三葉片上風向主動偏航變槳距功率調(diào)節(jié)雙饋式變速恒頻控制北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉3Gamesa機組簡介機組采用常見的“一字型” 布置形式,為保證變槳系統(tǒng)的安裝位置，齒輪箱輸出軸在機組的左側，與發(fā)電機相連，主軸采用雙軸承設計。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉4故障現(xiàn)象現(xiàn)場巡檢中，在塔架下部聽到機艙發(fā)出很大的異常聲音。停機進入機艙檢查發(fā)現(xiàn)：轉速到350RPM左右時，齒輪箱殼體與輸入

2、軸相對前、后軸向竄動，躥動量為3-5mm左右；在行星輪外齒圈處有很大的“咕咚、咕咚”撞擊聲音，聲音均勻而且連續(xù)，異音和撞擊同步出現(xiàn)。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉5故障初步分析根據(jù)齒輪箱聲音大小和撞擊位置手感檢查，初步判定齒輪箱行星輪位置有故障；齒輪箱觀察孔無法觀察到行星齒部分；受齒輪箱結構限制，內(nèi)窺鏡也無法觀察；齒輪已出現(xiàn)故障，齒輪油監(jiān)測無法判斷故障部位；采用振動監(jiān)測可初步判斷故障部位；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉6振動監(jiān)測分析測試儀器：便攜式離線振動監(jiān)測設備測試狀態(tài)：機組并網(wǎng)運行，發(fā)電機轉速：8601200rpm左右；發(fā)電功率：40120kW左右；記錄數(shù)據(jù)：傳動系統(tǒng)的多點的振動頻率、

3、幅值與加速度；發(fā)電機實時轉速；機組實時輸出功率；實時風速；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉7振動監(jiān)測分析記錄機組實時輸出功率與實時風速的原因：采用便攜式振動監(jiān)測儀，僅兩個記錄通道，無法同時測量多點的數(shù)據(jù)，必須保證各點測量時機組轉速較接近；雙饋機組在810m/s區(qū)段轉速變化較快，為保證測量的準確性，記錄功率和風速可以在對轉速的變化值進行校驗；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉8振動監(jiān)測分析測點布置如圖，共11點；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉9振動監(jiān)測分析各采集點理論上均應位于軸承座6點鐘位置（承載區(qū)）上，可是個別位置由于傳感器安放不方便只能做到盡可能接近承載區(qū)。采集并分析的振動參數(shù)為以下兩種：

4、速度頻譜：檢測由于如松動、不平衡和不對中等低頻振動故障；監(jiān)測和確認軸承、齒輪缺陷階段。加速度包絡線譜：齒輪嚙合，軸承早期缺陷，潤滑不良，重復性沖擊等問題。 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉10振動監(jiān)測分析北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉11振動監(jiān)測分析從數(shù)據(jù)結果推算太陽輪軸轉速=45 r/min中間軸轉速=330 r/min輸出軸轉速=930 r/min結合監(jiān)測記錄，輸出軸轉速為984 r/min ，由于風力機組處于低負載運行狀態(tài)，轉速變化快，認為兩個結果一致；初步診斷為行星輪軸承出現(xiàn)問題，該故障處于嚴重階段。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉12振動監(jiān)測分析北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉13

5、振動監(jiān)測分析從上圖中可以看到齒輪箱故障已經(jīng)影響到機艙大幅度軸向振動。齒輪箱振動總值29.11mm/s，北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉14故障原因初步分析主軸箱軸承故障當主軸箱內(nèi)雙列滾子軸承工作游隙增大時，軸承外圈被軸承座和端蓋所固定無法移動，主軸會帶動軸承內(nèi)圈軸向竄動，這種缺陷在轉動設備中運行中很常見。由于主軸和齒輪箱低速輸入軸被脹緊套連接為一個相對剛性整體，主軸前后竄動會通過脹緊套將力矩傳遞給齒輪箱行星輪，行星輪軸向躥動撞擊齒圈和端蓋發(fā)出異音，同時行星輪前后軸承內(nèi)、外圈位移增大而S值超標損壞。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉15故障原因初步分析緊急剎車造成行星輪齒輪損壞行星輪和外齒圈曾經(jīng)在

6、其它的多種機型上，發(fā)生過因為緊急剎車造成行星輪斷齒損壞，最后外齒圈斷齒與行星輪抱死的惡性事故。分析其原因一方面是制造工藝不良、材質(zhì)選用不當、裝配工藝差等制造裝配問題；另一方面風力機緊急剎車時會使行星輪承受較大的扭力矩，頻繁緊急剎車會在齒輪受力疲勞損傷后，發(fā)生行星輪斷齒、輪齒剝光、外齒圈斷齒等故障，進而損壞行星輪軸承。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉16故障原因初步分析變槳液壓缸故障變槳液壓缸利用螺栓固定在齒輪箱尾部與其成為一個整體，變槳桿一端在液壓缸內(nèi)與活塞連接，一端穿過齒輪箱二級套管與輪轂內(nèi)三腳架超級螺母連接固定。液壓系統(tǒng)油質(zhì)臟、比例閥故障、缸體活塞磨損泄油，都會使變槳液壓缸供油壓力發(fā)生急劇

7、變化，壓力作用于活塞造成液壓缸體帶動齒輪箱一起振動。箱體和軸承座為整體鑄造件，箱體前后竄動必然會使軸承外圈和軸承座之間位移磨損，進而損壞軸承及軸承座。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉17修復方案根據(jù)故障分析結果，制定了修復方案：對可能的故障點進行進一步檢查；更換備用齒輪箱，盡快恢復機組運行；對損壞齒輪箱進行解體檢查；落實軸承損壞的具體原因北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉18檢查結果檢查點：主軸箱體檢查結果：塞尺檢查主軸箱安裝側隙不大于安裝要求0.50mm，外觀和力矩檢查地腳螺栓無松動，安裝標記線清晰完整；外觀和力矩檢查主軸與輪轂連接螺栓無松動，輪轂連接法蘭無明顯裂紋和缺損；外觀和力矩檢查主軸箱

8、端蓋螺栓無松動，螺栓彈簧墊圈完好無斷裂,主軸箱軸承端蓋無裂紋和漏油。主軸箱殼體無裂紋和其它缺陷,塞尺檢查主軸和齒輪箱輸入軸間隙不大于1mm；由于主軸箱無法解體檢查軸承，主軸的飄偏度和同心度無法檢查，打開軸承端蓋檢查軸承側面，確認油脂顏色正常無焦糊現(xiàn)象，滾動體無傷痕，軸承座完好無磨損痕跡，軸承內(nèi)圈擋圈環(huán)無變形損壞、固定牢固。 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉19檢查結果檢查點：脹緊套檢查結果：錐形脹緊套（內(nèi)套）與軸接觸的部位有較為明顯的滑動痕跡，但沒有毛刺、拉傷、凸起、溝槽等缺陷，不影響繼續(xù)使用；螺栓孔完整無傷痕，螺紋完好無拉傷、斷裂和螺紋滑扣等缺陷；力矩檢查螺栓緊力符合標準； 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉

9、北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉20檢查結果北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉21檢查結果檢查點：彈性支撐檢查結果：力矩檢查齒輪箱彈性支撐緊固螺栓無松動，外觀檢查支撐無彎曲變形、連接螺栓完好；檢查扭力臂關節(jié)軸承轉動靈活，內(nèi)表面和球面光滑完整未見磨損、劃痕、裂紋、銹蝕等缺陷，關節(jié)軸承密封件完整無損壞，彈性橡膠塊無缺損，錨銷無傷痕。 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉22檢查結果北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉23檢查結果檢查點：變槳機構檢查結果：液壓缸殼體無裂紋和損傷，傳感器安裝牢固無松動，變槳桿無彎曲、劃痕、磨損、凹坑、銹蝕、脫皮等缺陷；白軸光滑無損傷，白軸后部尼龍軸承完好；黑軸螺栓固定端焊口前套斷裂缺損，經(jīng)分析

10、是滑動軸承間隙增大后白軸擺動擠裂，不影響繼續(xù)使用；連接螺栓無松動, 連接螺紋完好、緊密牢固；三腳架上螺栓孔無磨損變形，防轉桿光滑無彎曲變形，變槳軸承轉動無卡澀現(xiàn)象，葉片變槳拐臂螺栓無松動和斷裂； 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉24檢查結果北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉25檢查結果檢查點：齒輪箱檢查結果：箱體內(nèi)低速軸前軸承座內(nèi)徑磨損0.30mm；行星輪前、后兩盤軸承S值超標增大2.3mm；低速輸入軸軸承磨損；潤滑油顆粒度超標；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉26檢查結果檢查結果：低速軸前軸承座內(nèi)徑磨損北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉27檢查結果檢查結果：軸承S值超標北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)

11、創(chuàng)夏暉28檢查結果檢查結果：軸承S值超標北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉29檢查結果檢查結果：低速輸入軸軸承磨損北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉30檢查結果檢查結果分析：從齒輪箱解體檢查情況上分析，由于軸承游隙增大，導致運行中齒輪躥動，相互撞擊，發(fā)出異常聲音；齒輪躥動，軸承受力超出設計值，外圈與軸承座發(fā)生相對位移，由于箱體材質(zhì)為鑄鐵，發(fā)生磨損；磨損的顆粒進入軸承，導致軸承磨損；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉31檢查結果齒輪箱發(fā)生損壞的原因：齒輪箱自身缺陷；外部原因?qū)е慢X輪箱損壞；具體原因待落實；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉32機組恢復安裝備用齒輪箱，機組恢復運行；在機組恢復后，進行整機的

12、測試；發(fā)現(xiàn)當轉速達到800RPM以上時，齒輪箱箱體軸向前后竄動頻率不斷增大，機艙振動明顯，聲音很大 ；機組存在其他缺陷；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉33其他檢查控制系統(tǒng)檢查時發(fā)現(xiàn)：在10m/s風速下PITCH AND BRAKE測試中設定變槳值為30和轉速達到570rpm時風力機組發(fā)出Gene-Rotor Discrepancy（轉速不匹配）故障兩次；CCU X111（Encoder）端子排01端子接線松動；緊固端子排接線后在重復RPM TEST時通過測試，機組未報故障；啟動機組，齒輪箱軸向躥動消失，運行平穩(wěn)，未見振動和異音，機組并網(wǎng)運行 。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉34故障分析依據(jù)

13、齒輪箱解體后部件損壞和新齒輪箱安裝缺陷處理的情況，分析如下：主軸箱軸承故障引起齒輪箱軸承損壞的分析不成立；緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承的分析不成立；控制系統(tǒng)導致變槳機構故障是造成該機組齒輪箱振動和軸承損壞的原因；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉35故障分析主軸箱軸承故障引起齒輪箱軸承損壞的分析不成立第一種分析認為主軸箱軸承工作游隙增大，是造成齒輪箱振動和軸承損壞的原因。通過對主軸箱外部檢查，確認主軸箱安裝間隙無變化，地腳螺栓緊力符合要求，安裝標記清晰完整。主軸與輪轂連接螺栓無松動且緊力符合要求，輪轂連接法蘭未發(fā)現(xiàn)裂紋和缺損等缺陷。外觀和力矩檢查主軸箱前后軸承端蓋螺栓無松動，軸承端蓋無裂紋和漏油

14、現(xiàn)象，主軸箱殼體無裂紋和其它缺陷。新齒輪箱安裝后檢查主軸竄動量小于0.10mm，現(xiàn)場實測主軸箱振動0.03mm。這兩項測量數(shù)據(jù)說明軸及軸承運轉平穩(wěn)，軸承工作游隙正常，主軸未發(fā)生軸向竄動和跳動?；谥鬏S竄動而引起齒輪箱振動和軸承損壞的分析不成立。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉36故障分析緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承的分析不成立現(xiàn)場檢查確認行星輪齒輪和外齒圈完好無異常；解體檢查行星輪齒輪與外齒圈嚙合良好無卡澀；運行中的緊急剎車并沒有引起行星輪和外齒圈斷齒損壞。行星輪和外齒圈盤動靈活、完好無缺陷，說明緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承損壞的分析不成立北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉37故障分析控制系統(tǒng)導

15、致變槳機構故障是造成該風力機組齒輪箱振動和軸承損壞的原因由于控制系統(tǒng)的問題，導致變槳液壓缸頻繁動作造成齒輪箱振動和軸承損壞；備用齒輪箱安裝后仍然有很大的振動，解體檢查變槳液壓缸及活塞、連接螺栓、變槳桿、變槳軸承、三腳架和防轉桿等均未發(fā)現(xiàn)異常；將液壓站比例閥和變槳液壓缸進行清理檢查，更換了新液壓油，未見任何異常；CCU X111（Encoder）端子排01端子接線松動，緊固后振動消失，設備運轉平穩(wěn)；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉38故障分析Gamesa機組是變槳距、雙饋機組，其控制結構如圖所示：北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉39故障分析變槳控制：北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉40故障分析速

16、度控制：北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉41故障分析編碼器：OG 8 DN 2048 CI輸出信號附加標志脈沖和反向信號；每周輸出2048個脈沖；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉42故障分析編碼器測量發(fā)電機轉速，信號送到CCU X111端子排01端子，接線松動導致 PLC接收的發(fā)電機轉子轉速信號不穩(wěn)定，使PLC采集到的葉輪轉速和發(fā)電機轉速有偏差；PLC為了使轉速達到預先設定值，就會控制變槳驅(qū)動裝置不斷修正槳角變化，這樣就引起變槳液壓缸活塞前后油壓反復變化，促使活塞帶動變槳桿在缸體內(nèi)快速往復運動；北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉43故障分析變槳桿前端與輪轂內(nèi)的三腳架相連，當變槳桿快速運動時，以三

17、腳架為固定支點推動液壓缸向前、后運動；液壓缸也相應推動變槳桿向前、后運動，液壓缸的前后運動趨向帶動齒輪箱外殼前后軸向竄動，引起整個機艙振動并伴隨巨大的異音。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉44故障分析了解到該機組此次修前液壓站比例閥更換過4個，變槳液壓缸也因為卡澀清洗過一次。說明頻繁的變槳使比例閥長期高負荷工作，損壞了內(nèi)部閥芯，更進一步說明齒輪箱故障不是短期形成的，而是較長一段時期間歇振動累積的結果。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉45故障分析端子接線松動分析：CCU X111（Encoder）端子排01端子接線在原齒輪箱振動發(fā)生時未檢查到，新齒輪箱振動發(fā)現(xiàn)松動緊固后故障消除。引起接線松動會有

18、兩方面原因，一是該接線端子的塑料材質(zhì)，會因為冬季運行熱脹冷縮的原因發(fā)生松動脫落的現(xiàn)象，這種故障在東北等地的風場出現(xiàn)過，但該風場多臺同型號風力機組均未發(fā)現(xiàn)由于熱脹冷縮導致端子線松動的現(xiàn)象，所以該風力機熱脹冷縮導致接線松動的可能性極?。欢荂CU在現(xiàn)場檢修中互換的現(xiàn)象較為常見，可能在多次人為插拔中導致接線松動。北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉46總結由于控制系統(tǒng)CCU X111（Encoder）端子排01端子接線松動，使PLC采集到葉輪轉速和發(fā)電機轉速有偏差，PLC為了使轉速達到預先設定值，控制變槳機構頻繁變槳、修正槳角達到設定的目標值，引起變槳液壓缸活塞前、后油壓反復變化，促使活塞帶動變槳桿在缸體內(nèi)快速往復運動，引起齒輪箱及整個機艙振動并伴隨巨大的異音。 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉47總結低速軸前軸承座和齒輪箱為一個鑄造整體，軸承座和低速軸承外圈為過盈配合，劇烈的箱體竄動引起軸承損壞和軸承座磨損。軸承座內(nèi)徑磨損變大后軸承外圈隨軸轉動且損壞軸承。 北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉北京中能聯(lián)創(chuàng)夏暉48總結通過解體檢查和論證分析，并結合新齒輪箱安裝后振動處理情況，確定控制系統(tǒng)接線松動使變槳液壓缸頻繁動作引起齒輪