風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)與故障診斷的研究

張陸云

（五凌電力湖南分公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

風(fēng)力發(fā)電的原理，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其主要通過(guò)主軸——齒箱傳動(dòng)裝置。傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障會(huì)影響到發(fā)電效率和電能質(zhì)量，必須采取維護(hù)措施和故障診斷，針對(duì)齒輪箱和主軸軸承的維護(hù)診斷，此外還應(yīng)當(dāng)特別制定相應(yīng)的維修診斷計(jì)劃，加強(qiáng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視管理。

2 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及部件

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)則是將風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能，以機(jī)械能的方式傳送至發(fā)電機(jī)的中間裝置，其結(jié)構(gòu)主要包括主軸、軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器以及高速軸等。關(guān)鍵部件具體如下：

（1）主軸

主軸通常還分為低速軸與高速軸，其中，低速軸用于連接風(fēng)輪、齒輪箱的低速輸入端，而高速軸則用于連接齒輪箱的輸出端以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間的能量傳遞。主軸除了需要承受來(lái)自于風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷、自重載荷以及軸承、齒輪箱反作用力以外，還需要承受傳遞鏈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和瞬態(tài)載荷。

（2）齒輪箱

大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速通常為1220r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要求則大約為1500r/min，葉輪的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速則相差70多倍。在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間，需要利用具有大增速比的齒輪箱，用以提升轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)的齒輪箱作為傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其運(yùn)行載荷、轉(zhuǎn)速波動(dòng)性較大，相較于其他設(shè)備齒輪箱的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，因而容易引發(fā)故障。齒輪箱有多個(gè)種類，如果按照傳動(dòng)形式來(lái)分，大致能分為平行軸定軸傳動(dòng)、行星傳動(dòng)以及組合傳動(dòng)；如果按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)，則可分為單級(jí)、多級(jí)齒輪箱。一些大型的風(fēng)電機(jī)組增速較大，通常適宜采用行星、平行軸相互組合的齒輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

（3）主軸軸承

風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，主軸需要由軸承（見圖1）來(lái)支撐，然后通過(guò)軸承座，將風(fēng)輪作用力傳遞至地盤。主軸軸承一般采用的是滾動(dòng)軸承，這樣可以在承受較大徑向、軸向載荷的同時(shí)，有效降低風(fēng)輪與齒輪箱之間，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的摩擦阻力。

3 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常見故障診斷

3.1 主軸與軸承故障診斷

風(fēng)電機(jī)組的主軸主要是用于連接風(fēng)輪與齒輪箱，由于其原材料存在缺陷，或這在制造過(guò)程中未能消除應(yīng)力集中問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致軸的不對(duì)中、不平衡問(wèn)題，即軸的中心線與軸承中心線發(fā)生傾斜或偏移。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，相位相對(duì)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡應(yīng)當(dāng)呈雙環(huán)橢圓，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的變化，即可及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類故障。軸的不平衡則是由偏心質(zhì)量、偏心距所引起的離心力造成，振動(dòng)的幅度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

圖1 主軸滾子軸承

傳動(dòng)系統(tǒng)的所有零部件里，軸承是最薄弱的環(huán)節(jié)之一，軸承工作部位不同、潤(rùn)滑條件不同，發(fā)生失效的形式和原因不同。行星架軸承失效的原因主要是當(dāng)出現(xiàn)軸向載荷交替變換方向的工況時(shí)，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會(huì)有竄動(dòng)，如果竄動(dòng)量足夠大，則對(duì)圓柱滾子軸承會(huì)造成沖擊。行星輪軸承失效的原因主要是軸承外圈和行星輪內(nèi)孔之間過(guò)盈配合量不足，或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，出現(xiàn)外圈磨損。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現(xiàn)滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會(huì)出現(xiàn)滑傷和微剝落的損傷，從而導(dǎo)致高速軸軸承的失效。

3.2 滾動(dòng)軸承故障診斷

支撐主軸的關(guān)鍵部件就是滾動(dòng)軸承。處于變化載荷的情況下，風(fēng)電機(jī)組主軸的軸向位移，可能導(dǎo)致滾動(dòng)軸承滾子發(fā)生磨損，形成故障。滾動(dòng)軸承故障類型通常包括軸承內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體點(diǎn)蝕以及疲勞剝落等問(wèn)題。滾動(dòng)軸承故障會(huì)導(dǎo)致軸承的運(yùn)行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設(shè)備的溫度、出現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)異常等，并造成旋轉(zhuǎn)精度的降低。一般來(lái)說(shuō)，故障情況下，軸承的不同部件振動(dòng)特性頻率計(jì)算如下：

滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障特性頻率：

滾動(dòng)軸承外圈故障特性頻率：

滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體故障特性頻率：

式中：d為滾動(dòng)體直徑；D為軸承節(jié)徑；z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；a為接觸角；fi為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率。

3.3 齒輪故障診斷

3.3.1 齒輪故障類別

①斷齒：齒輪中齒面會(huì)持續(xù)承受交變載荷，在齒根部位往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而在齒根位置產(chǎn)生裂紋發(fā)生斷齒；②齒面膠合：在重載及高速運(yùn)行中，齒輪潤(rùn)滑度不夠，出現(xiàn)油膜斷裂狀況，相嚙合的齒面在壓力及摩擦作用下發(fā)熱升溫，導(dǎo)致嚙合面局部熔焊，發(fā)生齒面膠合；③齒面點(diǎn)蝕：齒面同樣在交變載荷作用下，因受力不均會(huì)在齒面呈現(xiàn)麻點(diǎn)形狀，此種現(xiàn)象就是“點(diǎn)蝕”；④齒面磨損：在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，因潤(rùn)滑油供給不足或潤(rùn)滑油不夠干凈，殘留在齒輪嚙合面處的金屬氧化物、微粒及其它雜質(zhì)會(huì)隨著齒輪的傳動(dòng)，不斷聚集，當(dāng)潤(rùn)滑油中含有直徑超過(guò)30pm的微粒時(shí)，會(huì)令齒輪齒面出現(xiàn)磨料損耗，這就是齒面磨損。

3.3.2 潤(rùn)滑油、冷卻液出現(xiàn)異常

如果表現(xiàn)為潤(rùn)滑油、冷卻液消耗較快，則是齒輪箱某個(gè)部位出現(xiàn)滲漏，此時(shí)要對(duì)齒輪箱進(jìn)行仔細(xì)觀察，找出滲漏點(diǎn)加以修補(bǔ)；如果表現(xiàn)為潤(rùn)滑油變質(zhì)比正常時(shí)間要快，則是與齒輪箱溫度過(guò)高有關(guān)，此時(shí)應(yīng)從冷卻系統(tǒng)入手進(jìn)行診斷，也有可能因?yàn)辇X輪箱中的傳動(dòng)部件發(fā)生磨損，使?jié)櫥椭械慕饘兕w粒增多從而導(dǎo)致潤(rùn)滑油變質(zhì)，此時(shí)應(yīng)檢查齒輪箱中的易損部件，必要時(shí)進(jìn)行更換。

3.3.3 齒輪箱振動(dòng)異常

主要表現(xiàn)為在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)劇烈，或在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中突然緊急制動(dòng)等，此種情況的產(chǎn)生主要是齒輪軸的不平衡量超過(guò)規(guī)定范圍，或是齒輪軸受到過(guò)大的瞬時(shí)沖擊載荷作用，產(chǎn)生彎曲變形，也可能是齒輪軸在裝配時(shí)對(duì)中不夠精確，使齒輪軸長(zhǎng)期在較大偏載工況下工作，由疲勞作用產(chǎn)生變形而導(dǎo)致，所以在診斷時(shí)需要借助對(duì)中儀、偏心儀等設(shè)備對(duì)齒輪軸進(jìn)行分析，從而找準(zhǔn)原因，對(duì)齒輪軸進(jìn)行位置調(diào)整或進(jìn)行部件更換。

4 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的日常維護(hù)

4.1 主軸軸承的日常維護(hù)及保養(yǎng)

在日常運(yùn)維中，常采用聽、摸、看的檢查方法，同時(shí)要了解軸承在生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的原理和保養(yǎng)維護(hù)常識(shí)。在日常巡檢工作中，要做到以下幾點(diǎn)：

①聽，利用聽針等工具，對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的卡澀現(xiàn)象、有無(wú)雜音、運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)等進(jìn)行檢測(cè)；②摸，可用測(cè)溫儀測(cè)溫度，也可用手摸軸承的外殼溫度，是否在可控量程技術(shù)規(guī)范數(shù)值要求內(nèi)；③看，潤(rùn)滑油位的高度、油色及粘度，檢查加油記錄時(shí)間，油品，油脂添加的量及每臺(tái)設(shè)備軸承用油的型號(hào)規(guī)格是否正確；④此外，還要對(duì)軸承鏈接面進(jìn)行清理，保證干凈，沒(méi)有雜物，軸承支座需要加固緊固，不能前后出現(xiàn)錯(cuò)位。

在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行，降低故障發(fā)生概率?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)易發(fā)生故障部位和已發(fā)生故障部位原因、結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，從而制定合理的故障管理和診斷方案，同時(shí)確保其在設(shè)備選型和風(fēng)資源的評(píng)估中起到積極的作用。

4.2 齒輪箱的維護(hù)與保養(yǎng)

齒輪箱時(shí)重要零件之一，當(dāng)其長(zhǎng)期處于運(yùn)作的狀態(tài)下，或未能及時(shí)采取保養(yǎng)措施的情況下，容易出現(xiàn)故障。所以，應(yīng)當(dāng)定期對(duì)齒輪箱進(jìn)行必要的檢測(cè)、維護(hù)與保養(yǎng)，以延長(zhǎng)其使用壽命，盡可能降低故障的發(fā)生概率。

對(duì)齒輪箱的日常檢查，應(yīng)當(dāng)包括以下方面：檢查齒輪箱在運(yùn)行過(guò)程中，是否會(huì)出現(xiàn)異常噪音；油位是否合適，是否有泄漏的問(wèn)題；明確齒輪箱中泄漏和油量不夠等問(wèn)題，并及時(shí)控制并補(bǔ)油。如果不存在漏油問(wèn)題，還需要對(duì)定期齒輪箱的濾清帽進(jìn)行清理和沖洗。檢查設(shè)備彈性支撐的使用情況，防止其出現(xiàn)破損或老化，必須及時(shí)進(jìn)行維修或者更換。防止齒輪箱出現(xiàn)長(zhǎng)期停轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須確保其運(yùn)行才能延長(zhǎng)其使用時(shí)間，提高其工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

傳動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)是風(fēng)電機(jī)組維護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，傳動(dòng)系統(tǒng)是否正常關(guān)系著風(fēng)電場(chǎng)能否正常運(yùn)行并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，除對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)外，還需要注意對(duì)其定期的檢修和巡查，尤其加強(qiáng)對(duì)齒輪箱、軸承等重要部件的檢查，建立規(guī)范的日常維護(hù)和定期檢修制度。針對(duì)自然條件較差，如多雨、多雷電、風(fēng)場(chǎng)含沙量大、風(fēng)向不穩(wěn)定等區(qū)域，要注意對(duì)軸承的振動(dòng)情況和潤(rùn)滑油液情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確排除故障。

[1]孟宗，付立元.風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（02）：150～152.

[2]張照煌，丁顯，劉曼，等.基于小波變換的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷與分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011（S1）：210～218.

[3]捌色興佳，王曉東，單光坤，等.雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)扭振抑制自抗擾控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（1）：136～141.