風電機組傳動系統維護與故障診斷研究

摘 要：隨著人們的環保意識增強，對于能源的環保要求越來越高，風力發電作為一種新型的環保能源，其逐漸替代傳統能源成為今后能源供應主力。對風電機組傳動系統維護和故障診斷也會成為工作常態，文章針對相關問題進行討論，提出一些建議以供參考。

關鍵詞：風電機組；傳動系統；維護；故障診斷

風力發電的原理為將風能轉化為動能，其主要通過主軸-齒箱傳動裝置。傳統系統故障直接影響發電效率及電能質量，如何對其進行治療維護就顯得至關重要[1]。文章就相關問題進行討論，為風電機組傳動故障診斷和維護提供參考。

1 風電機組傳統系統故障診斷技術

1.1 振動故障檢測診斷法

振動故障的檢測是當前最為基礎的風電機組故障診斷方法，其可以進行獨立診斷，診斷具有較高的準確性。振動故障檢測方法具有其他風電機組故障診斷方法不可替代的作用。從經濟效益來分析，振動監測需要安裝振動傳感器，但是由于風力電組的工作環境相當惡劣，傳感器比較容易受到損壞，因此在風電機組故障監測中應盡量少使用傳感器，以此來降低風電機組故障監測成本。

1.2 電信號故障監測診斷

電信號監測故障則可以避免傳感器損壞、安裝困難等問題。電信號故障檢測方法可以從電流和電壓進行信號監測，因此其經濟成本幾乎可以忽略不計。但是目前的電信號故障監測方法對于故障的診斷面很小，技術還存在著欠缺，必須展開深入研究之后才可用于風電機組傳動系統維護和故障監測。

1.3 性能故障監測診斷法

所謂的性能故障檢測類似于電信號檢測，同樣可以節約大量的檢測成本，但是其技術也存在著一些不成熟。性能故障檢測不需要增加額外的傳感器，而可以利用風電機組系統數據實現檢測，但是其診斷的范圍有限，對于操作人員的技術經驗和技術水平要求比較高[2]。

2 風電機組傳統系統故障類型及診斷

2.1 齒輪箱故障

2.1.1 齒輪故障類型。齒輪箱故障按照類型不同可以分為齒輪故障和輪體故障兩類，風電機組的主要故障形式則包含：（1）齒面損耗。風電機組的齒面損耗其主要是齒輪的磨損和腐蝕。磨損是風電機組機械傳動由于潤滑不足和異物進入導致齒輪的輪廓發生改變、間隙增加等問題。腐蝕則主要是由于一些腐蝕性氣體或者液體等引起化學腐蝕，齒輪的咬合是發生電火花或者電弧引起機械電蝕。（2）齒面膠合。風電機組傳動系統中的齒輪高速運轉，如果齒輪箱中的潤滑環境較差，很可能引起齒輪中間油膜消失，齒輪間的高溫造成齒輪面發生熔焊。（3）齒輪變形。齒輪的變形主要是指塑性變形問題，齒輪箱的齒輪長時間處于重載工作狀態時，齒輪承受的載荷消失之后恢復形變，從而發生塑性形變[3]。

2.1.2 齒輪振動管信號調制。風機傳動系統齒輪箱故障多為齒輪電蝕、齒輪折斷等故障，這些故障均會引起周期性脈沖沖擊，振動信號會出現調制現象，并且在振動信號頻譜上表現為齒輪咬合頻率、齒輪箱固有振動頻率兩側分布均勻齒輪故障診斷中，其診斷信號調解工作顯得尤為重要。如果齒輪箱發生故障，則在檢測振動頻率譜上包含正常的咬合頻率、倍頻率分量、周期性脈沖引起的調制。

2.2 滾動軸承故障

2.2.1 滾動軸承故障類型。滾動軸承作為大型傳動系統的重要組成部分，因此滾動軸承故障也是重要的故障源。據相關統計旋轉機械大約有30%都是由于滾動軸承故障引起，感應電機故障之中，滾動軸承故障約為電機的40%。風機電阻故障傳動系統之中，軸承的故障率達到20%之多。滾動軸承主要的故障形式為裂紋、腐蝕、斷裂、壓痕以及剝落等問題，故障的發生位置可能為內圈、外圈、滾動、保持架等地方。

2.2.2 滾動軸承故障演化。滾動軸承典型故障的演化過程如圖1所，一般軸承剛剛投入使用之后，可檢測到其振動信號振幅較小，整個頻譜很散亂。

當滾動軸承運行一定的時間之后，振動幅值繼續維持在一個水平，頻譜相比而言仍然比較單一。隨著軸承使用時間推移，振動會伴隨著噪聲逐漸增大，并且沒有異常音出現，頻譜圖上的故障頻率分量則開始凸顯，此時軸承逐漸進入到故障狀態。故障預警初始階段滾動軸承的振動、噪聲、溫度等均在正常范圍內，故障頻率雖然出現在超聲段，但是頻譜顯示不夠明顯。二階段軸承的振動幅值、振動速度、溫度、噪聲等均顯著上升，故障頻率譜中顯示更加突出，此階段傳感器可以比較明顯探測出軸承缺陷表面滾動所產生的脈沖。預警期的后階段，在此階段檢測人員可以通過手摸、耳聽感受故障振動。最后一個演變階段是軸承故障運行階段，此階段中軸承處于失效狀態，運行的溫度明顯上升，且運行伴有較大的噪聲，振動幅值和振動速度明顯增大。頻譜上振動故障的頻率逐漸消失，故障頻率逐漸被寬帶高頻噪聲所淹沒。

3 風電機組傳動系統維護策略

3.1 齒輪箱維護與保養

齒輪箱維護和保養是風電機組傳統系統維護的重要環節，齒輪箱檢查工作主要是對齒輪箱內部結構進行一系列監測，發現齒輪箱中可能存在著的問題，然后根據實際情況進行處理。齒輪箱中存在著油位泄露情況，齒輪箱是否完整或者油量不足將會直接影響風電機組傳動運行。齒輪箱中油量不足會導致齒輪間摩擦力增大，齒輪帶壓力增加，會導致齒面磨損進而影響齒輪箱中傳輸作用。對齒輪箱進行維護，必須對齒輪箱的彈性系統進行檢查，及時更換或者維修，一旦發現問題就應及時進行更換，避免齒輪停止運動。

3.2 滾動軸維護和保養

一般軸承運轉不正常通常表現為軸承過熱、噪聲大、振動、軸承軸上松動、機械性能不達標、更換頻率高等問題。軸承存在著不同程度的損壞，軸承過熱通常是由于接觸型摩擦油封太緊，可以采取更換接觸型的油封，并潤滑油封表面。軸承箱內孔不圓、軸承發生扭曲變形、箱孔內徑過小或者支撐面不平均會導致軸承過熱，必須維護中檢查軸承箱、內孔，調整底座片分布情況。由于軸承的發熱量和排熱量不穩定，通常滾動軸承的運轉初溫速度會快速上升，達到正常狀態不太穩定。溫度達到穩定狀態的時候，由于滾動軸承的發熱量、冷卻面積、軸承等熱容量、潤滑油量以及周圍溫度不同而不同。

4 結束語

風力發電逐步成熟，將為全球經濟發展做出重要貢獻。文章針對風電機組傳動系統的維護和故障診斷方法進行論述，通過風電機組傳動故障診斷技術、診斷類型和方法以及風電機組的養護策略進行研究，希望能夠提升風電機組故障處理能力，為提升風電發電系統穩定運行提供保障。

參考文獻

[1]張照煌，丁顯，劉曼，等.基于小波變換的風電機組傳動系統故障診斷與分析[J].應用基礎與工程科學學報，2011，19（S1）：210-218.

[2]馬婧華，湯寶平，韓延.風電機組傳動系統網絡化狀態監測與故障診斷系統設計[J].重慶大學學報，2015，38（01）：37-44.

[3]申戩林，王靈梅，郭東杰，等.基于改進小波包與包絡譜的風電機組傳動系統的故障診斷方法研究[J].太陽能學報，2014，35（09）：1771-1777.