風電機組傳動系統維護與故障診斷

張康

摘 要：風電機組傳統系統能否正常運行對電能質量及發電效率有著直接影響，國內眾多風機因為傳動系統發生故障無法正常運行，導致設備報廢，使得電力企業利益受損。在現階段材料質量及加工工藝的制約下，風機故障隱患主要集中在主軸軸承和齒輪箱上，故對風機在進行日常維護外，尤其要注重對重點部件的定期檢修和維護，減少傳動系統因部件故障而不能正常運行的情況發生。

關鍵詞：風力發電；傳動系統；維護檢修

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0071-02

1 風電機組傳動機構常見故障舉例

風電機組的故障現象有很多種，不能直接斷定是哪一個零件的問題，但是我們可以根據故障現象間接判斷故障原因，再借助特定的檢測工具進行檢查，從而可以準確判定故障原因。如在交變載荷的影響下，承載設備會加快疲勞損傷，在疲勞狀態下首先出現微小裂紋，若機組依然工作，裂紋會持續擴大，致使承載部件發生斷裂。這種情況多見于軸承及齒輪等，一旦軸承或齒輪等傳動機構的組成部件發生問題，將會導致整個傳動系統發生故障而不能正常工作。所以了解風機部件的失效形式和原因，規范傳動部件的日常維護和定期檢修對降低風機故障率有著重要意義。

1.1 齒輪故障類別

①斷齒：齒輪中齒面會持續承受交變載荷，所以齒根部位會承受最大的彎曲應力，由于齒根過度區域截面形狀的改變，所以在齒根部位往往會出現應力集中現象，從而在齒根位置產生裂紋，裂紋逐漸擴大致使齒根處斷裂，發生斷齒現象。

②齒面膠合：在重載及速度較高的齒輪運行過程中，如果齒輪的潤滑度不夠，相嚙合的兩個齒面在相對滑動時，會出現油膜斷裂的狀況，此時相嚙合的齒面會在壓力及摩擦的作用下發熱導致溫度升高，使的嚙合面中發生局部的熔焊狀況，從而使嚙合面發生粘連，在這種情況下，如果齒輪繼續工作，齒面的嚙合區域會發生斷裂，該情況就是齒面膠合。

③齒面點蝕：齒面同樣在交變載荷作用下，因受力不均會在齒面呈現麻點形狀，此種現象就是“點蝕”。齒輪箱中的齒輪在交變載荷作用下，經常出現點蝕，假如表層這種麻點不斷拓展銜接形成麻斑，就會引發大面積的金屬剝落，從而導致齒面斷裂。

④齒面磨損：在齒輪傳動過程中，因潤滑油供給不足或潤滑油不夠干凈，殘留在齒輪嚙合面處的金屬氧化物、微粒及其它雜質會隨著齒輪的傳動，不斷聚集，當潤滑油中含有直徑超過30 pm的微粒時，會令齒輪齒面出現磨料損耗，這就是齒面磨損，該磨損會明顯改變齒廓形狀，增大嚙合側隙，并因為齒厚大幅度的變薄引發斷齒。

1.2 主軸軸承的故障類別

①腐蝕：主要分為在軸承內有比較大的電流經常性經過引發的電腐蝕、軸承表層常因接觸水或潤滑油引發的銹蝕、軸頸中較小的相對運動可能誘發的微振性腐蝕等三種腐蝕。

②斷裂：在軸承熱處理過程中，不可避免的會出現殘余應力較大的情況，若在軸承工作過程中沒有很好的潤滑，或承受了較大的交變載荷、疲勞載荷、負重過大等情況，都可能引發軸承中組件斷裂從而破壞軸承。

③膠合：軸承在潤滑不良或重載及高速情況下，因摩擦生熱使軸承零件在短時間內溫度上升，零件表層個別部位會因此燒傷，或著軸承表層的金屬會粘在其他傳動件的表層，該情況就是膠合。

④疲勞剝落：軸承在交變載荷、沖擊載荷作用下，軸承的內圈及外圈會出現周期性變化的對接應力。這種應力在作用一定的周期之后，在軸承接觸面會形成裂紋，之后逐步擴展至軸承的其它接觸面，最終使接觸面金屬面積脫落。同樣的應力作用也會在滾動體或著滾動體與滾道的接觸面出現因疲勞發生金屬脫落。

⑤塑性形態變化：軸承在承受沖擊載荷或負載過重時，軸承滾道和滾子的摩擦表面因為受力不均會出現凹坑，這是因為摩擦表面的一些部位的應力在材料屈服強度極限值之上，才會出現類似于凹坑的塑性變形。當軸承的轉速低于1 r/min，此類情況較易發生。

⑥磨損：當雜物進入滾道中，或滾動體和滾道發生相對滑動時均會引起表層磨損，假如潤滑不夠，就可能使得磨損加大，因為磨損的加大，導致滾動體和滾道接觸面變得粗糙，從而擴大了軸承游隙，進而使得軸承轉動精準降低，軸承組件振動和噪音增大。

2 風電機組傳動系統的故障診斷及日常維護

2.1 齒輪箱的故障診斷

齒輪箱常見故障主要有溫度過高、潤滑油、冷卻液異常、振動異常等。

2.1.1 溫度過高

如果表現為齒輪箱箱體溫度過高，原因是冷卻系統出現問題，由于缺少冷卻液或冷卻泵停止工作導致溫度升高，如果是齒輪、軸承等轉動部件溫度升高，則是缺少潤滑油所導致。所以在診斷齒輪箱溫度過高時，不能一概而論，必要時需要進行溫度點的檢測加以確定。

2.1.2 潤滑油、冷卻液出現異常

如果表現為潤滑油、冷卻液消耗較快，則是齒輪箱某個部位出現滲漏，此時要對齒輪箱進行仔細觀察，找出滲漏點加以修補；如果表現為潤滑油變質比正常時間要快，則是與齒輪箱溫度過高有關，此時應從冷卻系統入手進行診斷，也有可能因為齒輪箱中的傳動部件發生磨損，使潤滑油中的金屬顆粒增多從而導致潤滑油變質，此時應檢查齒輪箱中的易損部件，必要時進行更換。

2.1.3 齒輪箱振動異常

主要表現為在設備運行過程中振動劇烈，或在運轉過程中突然緊急制動等，此種情況的產生主要是齒輪軸的不平衡量超過規定范圍，或是齒輪軸受到過大的瞬時沖擊載荷作用，產生彎曲變形，也可能是齒輪軸在裝配時對中不夠精確，使齒輪軸長期在較大偏載工況下工作，由疲勞作用產生變形而導致，所以在診斷時需要借助對中儀、偏心儀等設備對齒輪軸進行分析，從而找準原因，對齒輪軸進行位置調整或進行部件更換。

總之，在整個風力發電機組的運維檢修過程中，齒輪箱的故障診斷很重要。對齒輪箱在運行過程中表現的異常情況，需要迅速進行排查，精準定位故障所在區域并進行排除，由此才能減小故障的影響范圍，規避及控制經濟損害。

2.2 齒輪箱的日常維護及保養

風電機組齒輪箱的日常維護內容主要包括：設備外觀檢查、潤滑油位檢查、電氣接線檢查等。

具體工作任務包括：運維人員對齒輪箱箱體表面進行清潔，檢查箱體及潤滑管路有無滲漏現象，注意箱底放油閥有無松動和滲漏，避免放油閥松動和滲漏導致的齒輪油大量外泄。

通過油標尺或油位窗檢查油位及油色是否正常，發現油位偏低應及時補充，若發現油色明顯變深發黑時，應進行油質檢驗，并加強機組的運行監視。遇有濾清器堵塞報警時應及時檢查處理，在更換濾芯時應徹底清洗濾清器內部，有條件最好將濾清器總成拆下在車間進行清洗、檢查。

檢查齒輪油位、溫度、壓力、壓差、軸承溫度等傳感器和加熱器、散熱器的接線是否正常，導線有無磨損。在日常巡視檢查時還應當注意機組的噪音有無異常，及時發現故障隱患。

此外，還要定期對齒輪箱進行檢修和維護，定期檢修和維護的周期除根據當地的自然環境開展外，其檢修維護項目還要根據齒輪箱制造廠家要求、風電場業主要求及風機運行維護手冊具體制定，在此不再累述。

2.3 主軸軸承的故障診斷

傳動系統的所有零部件里，軸承是最薄弱的環節之一，軸承工作部位不同、潤滑條件不同，發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剎車是其他出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動，如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸承會造成沖擊。行星輪軸承失效的原因主要是軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足，或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，出現外圈磨損。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現滑傷和微剝落的損傷，從而導致高速軸軸承的失效。

同時軸承的潤滑條件與軸承的早期故障也有很大關系，主要因為以下幾點：

①由于溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達需潤滑部位而造成磨損。

②潤滑劑散熱不好，經常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞嚙合表面。

③濾芯堵塞、油位傳感器污染，導致潤滑劑“中毒”而失效，會引起粘著磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和氣蝕。

這些磨損出現之后，輕則污染潤滑劑，影響功率傳遞，產生噪聲，造成齒面斷裂，軸承內、外圈或滾動體損壞，嚴重時使機組無法轉動而徹底停機。

針對軸承的失效形式，目前采用對軸承的振動情況和潤滑油液情況進行在線監測的方法，對軸承的故障進行分析診斷。

2.4 主軸軸承的日常維護及保養

在日常運維中，常采用聽、摸、看的檢查方法，同時要了解軸承在生產、運轉過程中的原理和保養維護常識。在日常巡檢工作中，要做到以下幾點：

①聽——采用聽針工具對設備在運轉中是否有卡澀現象，有無雜音，運轉是否平穩。

②摸——可用測溫儀測溫度，也可用手摸軸承的外殼溫度，是否在可控量程技術規范數值要求內。

③看——潤滑油位的高度、油色及粘度，檢查加油記錄時間，油品，油脂添加的量及每臺設備軸承用油的型號規格是否正確。

除此以外，還要對軸承鏈接面進行清理，保證干凈，沒有雜物，軸承支座需要加固緊固，不能前后出現錯位。

3 結 語

傳動系統的維護是風電機組維護中的重要環節，傳動系統是否正常關系著風電場能否正常運行并產生經濟效益，筆者認為：

①除對傳動系統進行日常維護外，還需要注意對其定期的檢修和巡查，尤其加強對齒輪箱、軸承等重要部件的檢查，建立規范的日常維護和定期檢修制度。

②針對自然條件較差，如多雨、多雷電、風場含沙量大、風向不穩定等區域，要注意對軸承的振動情況和潤滑油液情況進行在線監測，及時對異常數據進行分析，準確排除故障。

參考文獻：

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