風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見故障及監(jiān)測分析

陳浩 王敏

南京高速齒輪制造有限公司 江蘇南京 210000

隨著經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)迎來了前所未有的重大發(fā)展機(jī)遇，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的應(yīng)用面臨著更多的不確定性因素，有必要對其常見故障問題作出精準(zhǔn)研判與分析，并通過相應(yīng)的技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)強(qiáng)化故障預(yù)判效果，提高其整體運(yùn)行效能。本文就此展開了探討。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)成要素，是高效實(shí)施風(fēng)力發(fā)電的基本載體，通常情況下由風(fēng)輪、主軸、發(fā)電機(jī)、變槳機(jī)構(gòu)、塔架與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等部分組成。隨著當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，風(fēng)電等清潔能源開始在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中扮演更加重要的角色，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性提出了更高要求[1]。長期以來，國家相關(guān)部門高度重視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、運(yùn)行過程控制、發(fā)電效果優(yōu)化等方面制定并實(shí)施了一系列重大方針政策，為高質(zhì)高效地開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實(shí)施提供了基本遵循與方向引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的最優(yōu)化，積累了豐富而寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為新時期風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展注入了新鮮活力。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見故障類型及特征

在當(dāng)前技術(shù)條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的運(yùn)行過程受多方面要素的影響，部分要素屬于顯性要素，辨識與控制難度較小，而部分因素則表現(xiàn)出顯著的隱性化特征，控制與處理難度較大，可能造成的齒輪箱故障類型有所差異。具體而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱常見故障類型有：一是齒輪的疲勞與點(diǎn)蝕，隨著齒輪滾動與滑動摩擦力度的持續(xù)高低起伏變化，其所遭受到的切應(yīng)力出現(xiàn)較大偏離幅值，局部性的齒輪金屬會出現(xiàn)剝落損壞狀態(tài)，影響其固有摩擦效果，久而久之加劇齒輪箱的疲勞磨損；二是齒輪齒面磨損，在齒輪長期嚙合狀態(tài)下，齒輪表面會附著部分具有較高強(qiáng)度的顆粒物，且顆粒物的含量隨著時間的延長呈增長趨勢，加之部分齒輪材質(zhì)不佳，導(dǎo)致齒面磨損嚴(yán)重；三是齒面膠合，由于部分情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱長期處于高荷載狀態(tài)下，齒輪油膜逐漸變薄，直至消失殆盡，造成兩個嚙合齒輪面上的金屬層出現(xiàn)物理轉(zhuǎn)移，影響正常潤滑狀態(tài)與條件，并致使震動能量幅度顯著提高[2]。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

為有效實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，提高故障診斷的準(zhǔn)確性與可行性，必須首先從整體角度對狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。對此，可依托于較為開放式的系統(tǒng)架構(gòu)模型，在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，分別細(xì)化形成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及數(shù)據(jù)分析等多個不同子模塊[3]。上述各個子模塊的構(gòu)造依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范各不相同，所采取的數(shù)據(jù)分析算法存在顯著差異，在組態(tài)軟件的協(xié)同支持作用下，同步完成狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷任務(wù)，而達(dá)成上述各項(xiàng)工作預(yù)期目標(biāo)的基本載體則是數(shù)據(jù)流與信息流。

3.2 數(shù)據(jù)采集單元

在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)條件下，離不開其基本數(shù)據(jù)信息的支撐作用，因此必須通過構(gòu)造數(shù)據(jù)采集單元，對其運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面精準(zhǔn)采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息類型的不同實(shí)現(xiàn)分門別類地整合與管理。為實(shí)現(xiàn)理想的數(shù)據(jù)采集效果，必須合理選擇與安裝數(shù)據(jù)傳感器，在位移傳感器、速度傳感器及加速度傳感器等不同類型之間進(jìn)行科學(xué)選擇。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測傳感器安裝到位后，應(yīng)通過數(shù)據(jù)處理與加工技術(shù)，將收集到的模擬型號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供上位機(jī)進(jìn)行識別處理[4]。

3.3 故障診斷單元

故障診斷單元是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵單元。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為齒輪箱故障監(jiān)測與診斷提供了更為豐富的技術(shù)手段，使得傳統(tǒng)模式下難以完成的故障診斷任務(wù)具備了更大的可行性。在現(xiàn)代基礎(chǔ)理論研究的支持下，故障診斷單元通過齒輪箱的震動強(qiáng)度與震動參數(shù)來對故障類型進(jìn)行診斷，通過融入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對震動信號進(jìn)行有效識別與提取，并在智能診斷算法的作用下，對故障信號進(jìn)行分類，更加精準(zhǔn)有效地得出故障類型。故障診斷單元需要具備良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)直觀化、可視化、形象化操作與控制。

3.4 通信模塊

通信模塊是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的基本載體，可通過加速度振動傳感器，設(shè)置特定輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)正負(fù)信號的循序輸出，在實(shí)現(xiàn)電壓物理接地的同時，完成傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信任務(wù)。同時，應(yīng)調(diào)整優(yōu)化震動監(jiān)測系統(tǒng)軟件通信配置，設(shè)定每一路通道的數(shù)據(jù)采集與通信間隔時間。要在各類通信規(guī)范設(shè)備的應(yīng)用中，統(tǒng)一軟件與硬件的標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)客戶端與系統(tǒng)服務(wù)器之間的無縫銜接，確保數(shù)據(jù)流構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)作模式，使故障診斷系統(tǒng)向核心控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)請求，與故障診斷之間完成特定通信過程[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，受監(jiān)測方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面要素的影響，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障監(jiān)測實(shí)踐中依舊存在諸多短板與不足，阻礙著其整體效益的優(yōu)化提升，因此技術(shù)人員應(yīng)該從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的客觀環(huán)境與需求出發(fā)，遵循齒輪箱故障監(jiān)測基本規(guī)律與原理，創(chuàng)新監(jiān)測方式方法，強(qiáng)化監(jiān)測過程控制，為促進(jìn)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電事業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展保駕護(hù)航。