齒輪箱中齒輪故障與振動(dòng)分析

摘 要：建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的戰(zhàn)略為推進(jìn)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的重點(diǎn)部件，齒輪箱因其長(zhǎng)期運(yùn)行在較為惡劣的環(huán)境條件下，故障率居高不下，已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，對(duì)齒輪箱中齒輪故障及其振動(dòng)分析的關(guān)注度不斷提升。文章結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，介紹了齒輪箱及其在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用，分析了齒輪箱常見(jiàn)的故障及其發(fā)生原因，并詳細(xì)闡述了齒輪故障的振動(dòng)分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；齒輪箱；齒輪故障；振動(dòng)分析

引言

齒輪箱作為一種通過(guò)齒輪來(lái)傳動(dòng)功率的組件，在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中就廣泛應(yīng)用了齒輪箱，隨著近年來(lái)國(guó)家建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的進(jìn)程不斷推進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)獲得了蓬勃的發(fā)展，對(duì)齒輪箱的應(yīng)用提出了更高的要求。

本文結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分析了齒輪箱中齒輪故障的常見(jiàn)形式以及故障診斷，并著重介紹了齒輪故障的振動(dòng)分析。

1 齒輪箱及其在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉片、齒輪箱、風(fēng)葉控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等組成，齒輪箱是風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的重要機(jī)械部件之一，齒輪箱的設(shè)計(jì)壽命一般是20年，起到動(dòng)力傳輸?shù)淖饔茫瑢L(fēng)機(jī)的風(fēng)輪產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，并對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的較低轉(zhuǎn)速進(jìn)行增速，使其滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。

風(fēng)電機(jī)組多運(yùn)行于氣候條件較為惡劣的山區(qū)、海島、邊疆等地，長(zhǎng)期受到強(qiáng)風(fēng)、溫差、雨雪等外界因素作用，給齒輪箱的運(yùn)行帶來(lái)不利因素。齒輪箱安裝于風(fēng)機(jī)塔頂內(nèi)，空間較為狹小，一旦出現(xiàn)故障較難維修和排除。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱已經(jīng)成為風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)故障次數(shù)最多的部件之一。

2 齒輪箱中常見(jiàn)的齒輪故障

齒輪箱的高可靠性和易維修性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)保障，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中，齒輪箱的故障主要集中在潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、齒輪損壞三個(gè)方面。其中，齒輪箱中齒輪的故障主要表現(xiàn)為局部斷齒、齒輪磨損、點(diǎn)蝕、齒面膠合、疲勞裂紋等。

2.1 局部斷齒

齒輪的局部斷齒通常是由細(xì)紋和裂縫發(fā)展導(dǎo)致，產(chǎn)生的原因主要有過(guò)載折斷、疲勞折斷、隨機(jī)斷裂等原因。其中，過(guò)載折斷是由于軸承損壞、外部沖擊等原因，導(dǎo)致作用在齒輪上的應(yīng)力持續(xù)較大，超過(guò)了齒輪的極限承受應(yīng)力導(dǎo)致；疲勞折斷多因?yàn)辇X輪材料不佳，導(dǎo)致齒輪長(zhǎng)期運(yùn)行在交變應(yīng)力下，產(chǎn)生長(zhǎng)期疲勞，裂紋不斷擴(kuò)展，最終斷裂；隨機(jī)斷裂的原因較多，比如有硬物進(jìn)入齒輪嚙合區(qū)、齒輪根部突遇外力沖擊等。

2.2 齒輪磨損

磨損是指齒輪表面金屬損耗嚴(yán)重，輕度的磨損尚不至于影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行，但破壞性磨損將導(dǎo)致齒輪輪廓破壞，降低齒輪的壽命，影響齒輪的平穩(wěn)性。齒輪磨損的部位主要集中于齒輪的嚙合面和漸開(kāi)線工作面，與齒輪箱過(guò)載和潤(rùn)滑劑不潔有較大關(guān)系，另外，齒輪鑄造后留下的砂片、金屬片、雜質(zhì)也是齒輪磨損的重要原因。

2.3 齒輪點(diǎn)蝕

齒輪點(diǎn)蝕是指齒輪在交變應(yīng)力作用下，齒面接線附近產(chǎn)生的裂紋帶來(lái)的齒輪表明剝落、出現(xiàn)凹坑等現(xiàn)象。點(diǎn)蝕出現(xiàn)的原因和齒輪材料硬度不高、齒輪箱過(guò)載、荷載不均等情況有關(guān)，近年來(lái)，隨著我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷擴(kuò)大，500kW以上的風(fēng)電機(jī)組多采用平行軸和行星輪的混合結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)的輪轂高度增加，齒輪箱受力更加復(fù)雜，氣流的不穩(wěn)定性和復(fù)雜的交變荷載使得齒輪點(diǎn)蝕的幾率變大。

2.4 齒面膠合

齒輪膠合是指齒輪的嚙合表面邊界膜被破壞，導(dǎo)致接觸齒面的金屬熔焊并撕落的現(xiàn)象。膠合與潤(rùn)滑條件不夠、齒輪工作溫度高等原因有關(guān)。我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電廠多建立在風(fēng)力資源豐富的北方，北方氣溫較低，一些風(fēng)電場(chǎng)的極端最低氣溫達(dá)到-40℃以下，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)最低運(yùn)行氣溫在-20℃左右，長(zhǎng)期的低溫運(yùn)行對(duì)齒輪箱提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，必需對(duì)齒輪箱加溫，加溫過(guò)程中，遇到風(fēng)速持續(xù)偏低或停風(fēng)時(shí)，齒輪油會(huì)變稠，無(wú)法得到充分潤(rùn)滑，很容易導(dǎo)致齒面膠合等故障。此外，潤(rùn)滑劑散熱性能不好，導(dǎo)致齒輪過(guò)熱也會(huì)產(chǎn)生巨大損壞。

2.5 疲勞裂紋

齒輪的疲勞裂紋與齒輪嚙合過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、脈動(dòng)荷載、剪應(yīng)力過(guò)大等有關(guān)，疲勞裂紋可以表現(xiàn)為破壞性點(diǎn)蝕、齒輪表明剝落、損壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生斷齒。疲勞裂紋的存在是一個(gè)慢性發(fā)展的過(guò)程，裂紋的存在輕則影響功率傳遞，產(chǎn)生噪音，重則使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行受影響，導(dǎo)致停機(jī)。

3 齒輪箱中齒輪故障的振動(dòng)分析

齒輪箱的故障診斷方法中，最常用的是振動(dòng)頻譜分析，它建立在傳統(tǒng)的振動(dòng)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)和波形的采集和分析，進(jìn)行詳細(xì)的分析診斷，找出準(zhǔn)確的故障部位。

振動(dòng)分析進(jìn)行齒輪故障診斷的原理如下：將齒輪看做一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)傅里葉變換的理論，將齒輪的振動(dòng)信號(hào)分解為基波和一系列諧波分量的和。齒輪故障后，齒輪的振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生一系列的變化，反應(yīng)在振動(dòng)信號(hào)中，體現(xiàn)為信號(hào)畸變、嚙合頻率處頻譜值顯著變大，通過(guò)這些特征，可以較為準(zhǔn)確的定位出齒輪的各種故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)電齒輪箱的損壞類型中，齒輪的故障比例高達(dá)60%，已經(jīng)超過(guò)了其它部件（軸承、軸、箱體、緊固件、油封等）的故障之和，對(duì)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究、故障診斷技術(shù)的提升、故障分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，依然任重而道遠(yuǎn)。

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