風電機組齒輪箱故障分析及改進措施

風電機組齒輪箱故障分析及改進措施【摘要】我國風電企業(yè)正努力實現(xiàn)風力發(fā)電技術裝備國產化,推動我國風力發(fā)電技術大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。齒輪箱作為風電機組的核心部件,對機組質量起到至關重要的作用,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,采取相應的措施,對避免發(fā)生重大人身、設備傷亡事故有著十分重要的意義。【關鍵詞】風電機組齒輪箱故障改進措施風電機組一般安裝在荒郊野外、山口、海邊等偏遠地區(qū)，增速箱、發(fā)電機等部件又安裝于距地面幾十米高度的狹小的機艙內，因為機艙空間有限、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，維修費用較高，且整個維修周期較長，將嚴重影響風電場的經濟效益。因此減小風電齒輪箱出現(xiàn)故障的幾率，提供風電齒輪箱易維護性，將是風電齒輪箱設計及運行維護中需重點考慮的問題。一、風電機組齒輪箱運行現(xiàn)狀近年來隨著風電機組單機容量的不斷增大,以及風電機組的投運時間的逐漸累積,由齒輪箱故障引起的機組停運事件時有發(fā)生。風機停止工作,一是機器有效運行時間降低,發(fā)電量減少;二是風機停止發(fā)電,會加大風力發(fā)電的波動性,增加并網難度;還有就是廠商要派遣專業(yè)維修人員進行維修,如果故障嚴重,還要動用大型起吊工具,這會給廠商造成巨大的經濟損失。因此,對齒輪箱故障進行正確的早期預警,以及發(fā)生故障后能夠迅速查找到故障源,進行正確的故障處理,盡快恢復機組運行是非常有必要的。二、電機組齒輪箱特征頻率的計算風力發(fā)電機組齒輪箱有三種類型：低速直接驅動采用無增速齒輪箱；混臺驅動采用一級齒輪傳動；高速驅動有多緩齒輪箱。由于兆瓦級風力發(fā)電機葉片的直徑較千瓦級的更大，轉速更低，要求齒輪箱的增速比更高，所阻兆瓦級風力發(fā)電機齒輪箱大多采用多級齒輪結構，其典型結構簡單如下圖所示，第一級是結構緊湊且堅固的高轉矩行星齒輪，第二和第三級為平行軸圓柱齒輪。由于結構、運行特性的不同，各零部件有不同的特征頻率，比如固有頻率。我們通過機組參數(shù)可以查表或計算其特征頻率。嚙合頻率是指任意相互嚙合的兩個輪齒均轉過一個齒距角所用時間的倒數(shù)。計算公式為：GMF=ZW(21)式中GM7為嚙合頻率：Z為齒輪齒數(shù)：W為齒輪轉速。典型風力發(fā)電機齒輪箱結構圖三、常見故障齒輪故障。在風電機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。腐燭磨損是由于潤滑油中的某些活性成分會和齒輪材料緩慢發(fā)生化學或電化學反應而引起的磨損。腐燭磨損以化學腐蝕為主,腐燭磨損會導致齒面上產生一系列小坑。第二：磨粒磨損。磨粒磨損是由于有金屬微粒或其它硬質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最常見的失效形式；閉式傳動新齒輪在磨合后未予及時清洗或密封不良等導致潤滑油污染時,也會引起磨粒磨損。磨粒磨損會使齒面產生劃痕,齒面顏色變暗,磨損劇烈時甚至導致齒厚變薄發(fā)生齒形變化。第三：低速磨損當齒輪圓周線速度過低(小于0.5m/s)時,相嚙合齒面間的彈性流體動力膜厚會變薄,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。輪齒折斷是由于設計的應力小于作用在輪齒上的極限應力，或齒輪承受過高的交變載荷，設計疲勞載荷不足。由于齒面承受過大的接觸剪應力、應力循環(huán)次數(shù)、潤滑不良、熱處理和安裝調試等原因，齒面容易發(fā)生包括膠合、點蝕、齒面剝落、表面壓碎等損傷。圖1、2為風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、基礎載荷數(shù)據(jù)及載荷處理方法方面的問題。風電齒輪箱工作環(huán)境惡劣,所承受的載荷情況非常復雜,因此符合實際的載荷數(shù)據(jù)及其處理方法是風電齒輪箱設計計算的基礎。我國不但缺少復雜載荷數(shù)據(jù),而且處理方法也不夠成熟,對風電機組在工作過程中經常出現(xiàn)的制動載荷、極限載荷等載荷情況的處理還是根據(jù)經驗進行估算。此外,在變載荷處理過程中運用的線性積累損傷理論也并不能真實反映實際破壞情況。因此,設計計算的基礎有問題,也就無法得到載荷數(shù)據(jù)。3、齒輪早期點蝕。在頻繁受到風載變化沖擊的情況下,齒輪的微動磨損超過一般設計的預期,從而造成齒輪早期點蝕。防止齒輪早期點蝕的關鍵在于輪齒修形。在確定修形參數(shù)時,需要獲得準確的載荷來計算齒輪偏載,再根據(jù)偏載情況進行修形,而且需要考慮載荷波動,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。目前國內風電齒輪箱幾乎全部采用進口軸承,主要的國外廠商有瑞典SKF、德國FAG等公司。國內兆瓦以上設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,洛軸是國內最早研制、生產風電軸承的企業(yè),在國內首家成功開發(fā)出1.5MW風電軸承。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,早期風電齒輪箱故障大多是由軸承引起的。隨著技術的成熟,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)的受力變形導致軸承內外圈不再平行,滾子局部接觸應力過大。因此,精確的軸承壽命計算方法對風電齒輪箱軸承的設計、選擇非常重要。5、齒輪箱油溫過高。最新國家標準規(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：潤滑不充分；傳動部件存在卡滯現(xiàn)象；機組振動過大；溫度傳感器故障等。正常情況下，齒輪箱不會出現(xiàn)油溫過高現(xiàn)象，若齒輪箱出現(xiàn)異常高溫現(xiàn)象，需仔細分析，判斷發(fā)生故障的原因。首先應檢查潤滑油供應是否充分；再次檢查齒輪嚙合情況，有無金屬雜質，傳動部件有無卡滯現(xiàn)象；再次檢查機組的振動情況和溫度傳感器是否正常工作。如果是因為機組長時間滿發(fā)而導致的溫度過高，不可盲目開機，應在機組油溫恢復正常值后開機運行。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：冬季長時間停機后油溫度降低，油位開關因為齒輪油粘度太高而動作遲緩，產生誤報；傳感器損壞不能正確報警；齒輪箱運轉前的靜止油位與動態(tài)油位相差太大，動態(tài)油位偏低，不能正常報警。風電機組發(fā)生該故障后，運行人員應及時到現(xiàn)場檢查齒輪油位，必要時測試傳感器功能。此類故障應根據(jù)實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。偏航減速器能夠驅動機艙進行旋轉，跟隨風向的變化而變化，在偏航完成過后就開始制動機艙的運轉。間歇工作之間起停很是頻繁。因為有安裝位置對它形成了障礙，就常使用多級行星減速機構。經過多年的運行的經驗來看，減速器工作還是采用雙偏航減速器驅動的時候比較正常。單電機驅動的那一類風電機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、風電機組振動機理振動問題是風力發(fā)電機組的重要問題，隨著機組容量的增加,大型風力發(fā)電機組由于結構體積的增大和彈性增加,更加容易引發(fā)振動問題,因此機組在設計階段應該進行機組的固有特性計算、可能會引起的諧振問題的分析和可能引起諧振的運行區(qū)域分析,從而避免這些現(xiàn)象。風輪、塔架、機械傳動鏈的固有頻率相互間不能太接近,同時它們和激勵源的頻率也不可以太接近，大型變速機組的振動問題,主要集中在4個方面:（1)風輪的氣彈效應;(2)機械傳動鏈的扭曲振動,可能會受到氣動效應和電氣特性的激勵;(3)偏航運動引起的振動問題;(4)風輪塔架耦合的整機振動。這幾個振動源會相互影響,相互作用,經常需要綜合起來考慮，葉片的氣動彈性穩(wěn)定性問題可分為氣動彈性靜態(tài)穩(wěn)定性和氣動彈性動態(tài)穩(wěn)定性兩種。五、風電機組狀態(tài)監(jiān)測在線監(jiān)測技術在風電機組上的應用在我國目前還處于起步階段。國內各大風電整機企業(yè)陸續(xù)幵始在各自的樣機產品上試驗性安裝在線監(jiān)測設備,但都沒有批量安裝。隨著風電機組單機容量的不短加大和保險市場的成熟,在風電機組上配置監(jiān)測系統(tǒng)將成為一種必然趨勢。1、油樣檢測。（1）PRUFTECHNIK油品檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測內容為：顆粒數(shù)的分類和統(tǒng)計。該系統(tǒng)通過集成的信號處理器連續(xù)的監(jiān)控、環(huán)形緩沖、適合各種潤滑油、可測量油溫、適合高低流速、防雷電,其通訊接口為:ModbusTCP。（2）力士樂的風機油品在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用油中顆粒和水分檢測傳感器,分別監(jiān)測潤滑油中的顆粒和水份。2、信號的在線檢測。信號的在線檢測必須滿足兩方面的要求。（1）在線(on—line)。對于連續(xù)運行的機械設備是指機器運行（生產)過程（系統(tǒng))中的檢測。是在生產線上的進行，故屬于在線檢測；（2）動態(tài)過程具有多方面的信息，沒有必要都檢測，所選擇的信號及其在機器上的部位都要能敏感地反映工況特征信息的變化。機械故障診斷中的測試系統(tǒng)是1個動態(tài)測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)包含著許多環(huán)節(jié)：以適當?shù)姆绞郊畋粶y對象、信號的檢測和轉換、信號的調理、顯示和記錄。分析與處理等。信號調理環(huán)節(jié)把來自傳感器的信號轉換成更適合于進一步傳輸和處理的形式。這時的轉換多數(shù)是電信號之間的轉換，包括濾波、限幅、隔直、解調等。信號處理環(huán)節(jié)將信號進行各種運算、濾波、分析。將結果輸至顯示、紀錄或控制系統(tǒng)。在這些環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間應保持一一對應和盡量不失真的關系．并盡可能減小或消除各種干擾。3、信號的特征選取分析。鑒于直接檢測信號大都是隨機信號，它包括了大量的與故障無關的信息，一般不宜作判別量。需要用現(xiàn)代信號分析和數(shù)據(jù)處理方法把直接檢測信號轉換為能表達工況狀態(tài)的特征量。對于某些具有規(guī)律的信號。也可以從波形結構上提取特征量。特征分析的目的是用各種信號處理方法作為工具，找到工況狀態(tài)與特征量的關系，把反映故障的特征信息和與故障無關的特征信息分離開來。實際生產中，各個特征量對工況狀態(tài)變化的敏感程度不同，應當選擇敏感性強、規(guī)律性好的特征量，達到“去粗存精”的目的。六、改進措施1、齒輪件的精加工及修形。研究表明，較低的表面粗糙度對抑制齒面微點蝕的產生和改善齒面間的潤滑條件、減少磨損、降低摩擦、延長齒輪副的運行壽命及增強抗腐蝕疲勞的能力均有著十分明顯的作用。目前國內齒輪件的表面粗糙度要求為Ra0.8，甚至低于這個要求。據(jù)報道，國外最終齒面粗糙度可達Ra0.2---Ra0.4，這一工藝目前在我國尚未采用。建議齒輪箱制造商應充分利用現(xiàn)有工藝手段，通過改變磨削介質和工藝參數(shù)，采用精磨方法盡量接近上述目標，以便為批量生產高性能風電齒輪箱提供硬件保證。另外，提高齒輪件的加工精度，利用先進的技術和軟件進行齒輪的修形，可避免齒輪在傳動中受載變形，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。2、齒輪箱的優(yōu)化設計。高速軸部套故障在風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行下塔維修，維修成本及維修周期將增加。因此，齒輪箱在設計過程中，高速軸部套須具備可拆卸的條件。早期設計的齒輪箱，大多齒輪箱高速軸不具備可拆卸的條件。在后續(xù)產品維修過程中，高速軸單元須做進一步的優(yōu)化，使高速軸具備可拆卸的條件。隨著海上風電技術的發(fā)展，對風電齒輪箱也提出了更高的要求。因海上風電機組的維護成本較高，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，因此風電齒輪箱的模塊化設計要求將更高。七、日常維護日常對風電機組的維護包括檢查齒輪箱的外觀，電氣接線等。主要的工作任務包括：清潔齒輪箱的箱體外觀；檢查齒輪箱的潤滑油管路是否泄漏，管路接口是否松動；齒輪箱箱底的放油閥有沒有松動或者滲透；檢查油位，油色以及油標是否正常。如發(fā)現(xiàn)油的顏色變成了黑色而且還比較深，這時就應該要及時更換新油品。檢查機組運行時齒輪箱的振動和噪音狀況。濾清器的堵塞而導致了報警，就應該及時的查找故障原因必要時要更換濾芯，同時觀察油品顏色和雜質是否正常。安裝濾清器的外殼時應注意積極線程，受力應要均勻，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行清理，或者用刷子進行清掃。結束語：隨著風力發(fā)電裝備行業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是大功率風力發(fā)電機日趨主流，風力發(fā)電機及零部件的可靠性將是研發(fā)中關注的重點。本文介紹的齒輪箱軸承常見失效模式及其解決方案，旨在幫助設備制造商選取更適合風力發(fā)電機齒輪箱應用的軸承解決方案，力求不斷優(yōu)化齒輪箱的設計，使齒輪箱得到大幅的提升。參考文獻：[1]施鵬飛．從世界發(fā)