油液監測振動監測聯合預警風電齒輪箱故障

梁培沛 丁 顯 陳 鐵 岳俊紅 孫 浩

（龍源（北京）風電工程技術有限公司 北京）

一、風電機組齒輪箱油液監測和振動監測概述

1.監測技術簡介

作為風電機組核心傳動部件，齒輪箱具有結構緊湊、轉矩大、高速重載等特點，對其齒輪、軸承等部件的設計、加工、裝配及運維均有較高要求。由于齒輪箱運行狀態直接影響到風電機組的可靠性和穩定性，因此齒輪箱便成為風電機組狀態監測體系中普遍關注、重點跟蹤的部件之一。

目前，針對齒輪箱的故障監測和預警技術主要包括油液監測、振動監測、聲學監測、性能監測以及紅外監測等，前兩者是目前國內風電領域應用較為廣泛的技術手段。油液監測通過分析齒輪箱在用潤滑油的性能變化及其攜帶的磨損顆粒等載體，獲取設備潤滑、磨損等信息，用以評價設備運行狀態、預警故障隱患。振動監測通過采集齒輪箱運行時對應檢測點的頻率、幅值等參數，并根據參數的間歇性、周期性變化來評估齒輪箱的運行狀態。兩種手段各有優缺點，見表1。

2.兩種監測技術聯合應用的理論基礎

齒輪箱故障多集中在齒輪、軸承部位，齒輪的主要故障形式有齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合及斷齒等，軸承主要故障形式有疲勞剝落、軸承磨損、軸承膠合、軸承腐蝕及保持架變形等。

表1 油液監測和振動監測優缺點

以潤滑油及其攜帶的雜質、設備運轉時的振動信號為載體，通過分析摩擦、磨損和振動三者之間的關系，結合齒輪箱常見故障類型，可對齒輪箱油液監測、振動監測的聯合應用作如下推論。

（1）潤滑不良是設備磨損的主因之一，磨損和振動是故障的結果表現形式，通過探測磨損和振動的異常信息可以監測設備運行狀態。

（2）設備正常運行時，摩擦副之間的磨損以及振動信號均無異常，而當設備出現故障時，其磨損和振動信號在理論上也會出現異常。通過捕捉、總結油液、振動的數據、信號特征，并將其劃檔、分類，便可將數據、信號與故障類型相對應，即可判斷設備有無故障，故障嚴重程度如何。

二、兩種監測手段聯合應用流程

油液監測、振動監測均有離線、在線兩種監測方式，隨著技術進步和成本下降以及運維水平的提升，在線監測將是大勢所趨。但目前國內風電場采用較多的仍是離線監測方式，現以離線監測為例，說明這兩種監測方式在風電領域的聯合實施流程（圖 1）。

三、兩種監測手段在風電現場聯合應用效果

龍源電力集團將上述兩種狀態監測技術進行了有效結合，并將其納入風電場技術監督體系中，在風電機組故障預警方面收到良好效果。

（1）油液監測發現的報警案例中，近80%集中于油品使用過程中、在設備故障發生前，及時采取更換濾芯、更換油品等措施，可避免后期的潤滑和磨損故障；另外20%的案例集中于設備故障發生后，此時可通過現場檢查、內窺鏡檢查、振動監測等方法進行核實確認，并據結果進行檢修。這一方面說明了油液監測可發現萌芽期、發展期、嚴重期的多類型故障，另一方面也說明了其在故障萌芽期通過潤滑管理監督排除故障隱患的特殊作用。

油液監測在風電現場應用的不足：①對瞬間崩齒類故障難以提前預警，對于非漸進型的崩齒故障，油液監測尚無法在過程中提前做出有效預警，而多是通過崩齒后的大粒徑磨損顆粒做出判斷，存在技術上的滯后性，通過振動監測可一定程度上彌補此缺陷。②無法對齒輪箱故障進行定位。油液監測可通過齒輪油中磨損顆粒等指標的變化對齒輪箱故障做出預警，但目前尚不能確定磨損的具體部位；故障定位除內窺鏡檢查外，多個案例證明，油液監測預警故障、振動監測定位故障，是目前解決此問題的有效途徑。

（2）振動監測能夠捕捉到的齒輪箱故障形式主要有齒面點蝕、輪齒斷裂、軸承損傷以及嚙合故障等。能夠捕捉到的發電機故障主要為發電機軸承故障，其中軸承電腐蝕情況占多數，一般對損傷軸承進行更換處理。同時，振動監測能夠準確判斷發電機不對中現象。

圖1 風電齒輪箱油液和振動監測聯合應用模式（離線式）

圖2 A機組齒輪油監測結果趨勢

圖3 A機組齒輪油的分析鐵譜

圖4 A機組高速軸垂直加速度時域波形

圖5 A機組高速軸垂直加速度頻譜

圖6 A機組高速軸垂直加速度包絡譜

圖7 A機組齒輪箱內窺鏡檢查圖

振動監測在風電現場應用的不足：①低轉速部件和行星級故障判斷的準確性較低。振動監測的故障診斷是基于旋轉設備的振動機理實現的，所以只要能夠檢測到相應頻率的振動信號，可以準確判斷設備的故障部位。但是由于加速度振動傳感器對低頻信號靈敏度較低，振動監測對低速轉動部件的準確性不高。而且傳感器拾取的行星輪系的振動信號傳播路徑不直接，也是導致行星級故障判斷準確率低的原因之一。②由于離線振動難以做出準確的趨勢分析，對故障嚴重程度判斷的準確性也存在偏差。此類故障可以通過油液監測的元素分析、鐵譜分析等手段來予以一定程度的補足。

四、聯合應用的典型案例

1.油液監測早期預警，振動監測協同跟蹤

A機組齒輪箱2014年初開始進行定期監測（圖2），2015年初該機組齒輪油樣品出現鐵元素含量和鐵磁顆粒含量（PQ指數）升高現象，并對該機組齒輪箱報“注意”警示，建議取樣復檢，并對齒輪箱進行振動監測。復檢結果顯示其鐵元素含量和鐵磁顆粒含量升高趨勢更加明顯，分析鐵譜（圖3）顯示其樣品中疲勞剝落磨粒居多，且有少量磨粒直監測對故障予以協同跟蹤、確認，大幅提高了故障預警的準確性。

圖8 B機組齒輪油液監測結果趨勢

圖9 B機組齒輪油的分析鐵譜

圖10 B機組齒輪箱內窺鏡檢查圖

圖11 B機組中間軸垂直加速度頻譜

圖12 B機組中間軸垂直加速度包絡譜

2.油液監測發現故障，振動監測定位故障

B機組齒輪箱2012年11月開始進行定期監測（圖8），2014年10月該機組齒輪油樣品出現鐵磁顆粒含量（PQ指數）異常升高現象，分析鐵譜（圖9）顯示其樣品中疲勞剝落磨粒居多，且有少量磨粒直徑已＞300 μm，另有少量銅顆粒，屬于明顯的異常磨損，同時黏度的急劇降低也應是異常磨損的剪切作用所致。遂對該機組齒輪箱提出“報警”，建議振動監測進行確認。

現場根據油液監測結果對該機組開展振動監測，進行故障定位，結果見圖11和圖12。圖11加速度頻譜顯示在低頻段（300 Hz和500 Hz附近）均存在振動幅值較高能量峰，間隔頻率為中間軸轉動頻率7.5 Hz；經包絡分析（圖12），存在中間軸轉頻7.5 Hz及其倍頻和高速軸轉頻30 Hz及其倍頻，說明中間軸、高速軸齒輪嚙合存在嚴重損徑已超過50 μm，屬于明顯的異常磨損階段。

圖13 C機組中間軸垂直加速度時域波形

現場根據油液監測建議，對機組齒輪箱開展振動監測，結果見圖4～圖6。圖4加速度時域波形顯示機組齒輪箱高速軸明顯存在頻率為18.1 Hz的沖擊，圖5加速度頻譜在3500 Hz附近存在能量峰值，圖6加速度包絡譜中18.1 Hz及其倍頻占主要成分，其中18.1 Hz為高速軸轉動頻率，說明該機組齒輪箱高速軸振動異常，日常應加強關注并及時進行復測。

機組齒輪箱內窺鏡檢查結果見圖7，顯示其齒面（尤其是齒根處）點蝕明顯，且有多處擦傷。此案例表明：油液監測可以在故障早期通過潤滑油的劣化捕捉設備運行異常信號，并提請振動傷，需立即停機檢查。

對B機組齒輪箱內窺鏡檢查結果如圖10，顯示其中間軸大齒輪和高速軸齒輪齒面已斷齒。此案例表明：在油液監測發現故障后，不能確認故障具體部位的情況下，可通過振動監測度不同測點的信號采集和分析，確定故障發生部位。

3.振動監測發現故障，油液監測尋找原因

2013年3月對C機組齒輪箱進行振動監測，結果見圖13、圖14，圖13時域波形振動能量加大且存在明顯沖擊成分，加速度頻譜在50 Hz和200 Hz低頻段均存在頻率為7.2 Hz邊頻成分，將其進行包絡分析（圖15），7.2 Hz及其倍頻占主要成分，7.2 Hz為中間軸轉動頻率，說明C機組齒輪箱中間軸存在磨損，建議現場關注該機組運行情況，并進行油液監測。

圖14 C機組中間軸垂直加速度頻譜

圖15 C機組中間軸垂直加速度包絡譜

圖16 C機組齒輪油的油液監測結果趨勢

C機組齒輪箱油液監測的趨勢圖上（圖16）可以看出：該機組齒輪油的黏度在2014年5月出現異常降低，6月復檢結果與之相同，結合元素和黏度數據，推斷為混油所致。與現場核實，運維人員在定檢時，誤將液壓油加入到齒輪箱中，導致潤滑油黏度降低，油膜變薄，從鐵元素和PQ指數的異常升高來看，也說明齒輪箱已出現異常磨損。

該機組齒輪箱內窺鏡檢查結果見圖17，其中間軸齒面有明顯磨損。此案例表明，在振動監測發現故障后，油液監測可進一步確認，并尋找設備故障在潤滑管理方面的原因。

圖17 C機組的內窺鏡檢查圖

五、結論

油液監測和振動監測的聯合應用，可以互通有無、取長補短，通過技術上的交叉印證，在保障設備潤滑安全、提高故障預警效率、定位設備故障位置等方面體現了協同作用，起到“既重發現，更重預防”的良好效果，發揮其在故障預警和隱患消除方面的雙重優勢，可切實提高設備管理水平，在風電機組齒輪箱故障預警中起到了積極作用，也為其他設備的狀態監測模式提供了一定的參考。