風機齒輪箱油液在線監測技術應用

潘波，孫亮亮

（甘肅中廣核風力發電有限公司，甘肅酒泉，735000）

1 風機齒輪故障類型及原因

齒輪箱制造不具備穩定的工藝技術，易造成齒輪箱工況無法達到設計要求，直接影響其正常運轉，輪齒難以受力均勻，甚至發生斷齒問題；即便正確安裝，齒輪箱也無法徹底解決磨損問題。風電機組齒輪箱的故障涉及齒輪故障、軸承故障、箱體及緊固件故障，軸故障、油系統故障，其中失效比例最大的是齒輪故障。

表1 齒輪故障及故障機理

2 風電機組齒輪箱的狀態監測手段

2.1 振動狀態監測

振動狀態監測是借采集數據或監控系統，或利用傳感器不間斷獲取風電機組運行的振動數據，以時域與頻域系統了解振動加速信號，從而找出發生故障的零部件位置，以判斷故障類型。當前，很多方法都可以分析振動數據，初步產生過了成熟的診斷故障技術。

2.2 油液在線監測

在線油液監測是指系統或設備運行中，在線傳感器與性能指標科學整合，順利實現原位監測。根據潤滑油改變參數的原則，客觀評估系統或設備的運行狀態，嚴格診斷系統或設備的故障部件，更好實行維護與修理，降低事故發生概率。

2.3 風機齒輪箱狀態監測技術對比

風電機組齒輪箱在運行中出現了齒面斷裂、齒面磨損、齒面點蝕等故障。齒輪箱常見的故障類型比例見表2所示。

表2 齒輪箱常見故障類型比例

3 油液監測技術內容

油液監測技術包括潤滑油的理化性能與磨損顆粒分析。

3.1 油液的理化性能分析

油液品質通過粘度實現衡量，潤滑油膜在機械設備運行中發揮了抗磨與減磨的作用，油液粘度過大或過小都難以正常發揮作用。因此，油品粘度代表了油品劣化的程度。油品發生嚴重氧化，相應提高了粘度。油品因氧化形成的酸性物質，需通過酸值評價氧化油品變質的劣化情況。若齒輪箱油液總酸值增高，則會對油品的潤滑度造成影響，加重齒輪箱的磨損。

3.2 磨損顆粒分析

機械設備應用化學成分分析發現異常情況，評估磨損類型；濃度含量分析可直接判斷機械設備磨損情況；尺寸大小對機械設備的磨損和類型發揮了決定性作用；設備的磨損機理容易被幾何形貌影響。

風電機組齒輪箱磨損引發齒面裂紋，從而折斷輪齒，而在線動態監測齒輪箱振動，對這種長期發揮作用，且不改變故障信號的磨損失效模式科學區別。對磨損帶來的固體顆粒物分析，特別是金屬顆粒有利于及時預警動力機械設備的運行狀態。磨損帶來的金屬顆粒有不同的直徑和種類，可以得到動力機械設備運行的豐富信息，通常這部分設備有復雜的構造，運行時可利用金屬顆粒判斷初期故障。

4 油液在線監測技術應用─以磨粒監測為例

4.1 技術概述

風電齒輪箱磨損顆粒在線監測是將傳感器置于齒輪箱潤滑油回油管路上，有利于在線掌握零部件磨損顆粒的大小和數量，系統了解受損狀況。傳感器作為通流設備之一，安裝位置選在潤滑油回油管路和油濾之間，保證潤滑油順利通過。

圖1 風電齒輪箱磨損顆粒在線檢測

磁場線圈利用激勵產生交變磁場，金屬磨損顆粒作用于磁場區域，這也是發生微弱擾動的原因，傳感器線圈對外輸出能感應磁場擾動的信號。顆粒的尺寸與性質主要借輸出信號的幅度與相位合理區別。聯基本理論知識，信號的幅度與鐵磁性金屬顆粒的直徑保持正比關系，其與非鐵磁性金屬顆粒的表面積保持正比關系。而非鐵磁性金屬顆粒的信號與鐵磁性形成反比關系，利用其對磨粒有效鑒別。金屬顆粒通過傳感器結合磁電原理完成檢測，且在風機內部科學解決若干問題：

（1）風電機組一般利用孔徑偏大的油管，設計通孔直徑分別是40mm、27mm，響應超過了被檢測顆粒的尺寸。因此，有必要放大傳感器微弱信號的高增益，且對噪聲有效抑制。經測算，增益倍數應保持90dB，以便約束現場環境形成的噪聲。而環境噪聲包括：最大振動15g、最大油壓4MPa及風機內復雜的電磁干擾。上述環境條件可通過電路特殊處理，進而對機械結構科學設計。機械結構不只影響了產品的機械功能，還整合了傳感器信號和噪聲抑制信號。

圖2 傳感器工作原理

（2）鐵磁與非鐵磁磨粒的獨立優化檢測技術。鐵磁性金屬顆粒與非鐵磁金屬顆粒是基于交變磁場產生不一樣的干擾制度，二者互相約束，提高了鐵磁性顆粒的靈敏性，降低了非鐵磁性顆粒的靈敏性。故而，圍繞鐵磁與非鐵磁磨粒獨立優化監測方法十分關鍵，特別是其在風機大管徑油路中應用，最終實現同步監測操作。本文采取對頻監測解調技術，合理確定載波頻率，不只對鐵磁性金屬顆粒、非鐵磁性金屬顆粒進行監測，還提高了靈敏性。

（3）基于環境的干擾，對真假顆粒信號的算法合理區別。對噪聲抑制技術科學應用，環境干擾容易輸出假顆粒信號，只有合理設計對真假顆粒信號有效甄別的方式，才可以提高檢測水平。

圖3 傳感器信號處理流程

圖4 風電機組齒輪箱磨損狀態智能監控系統架構

4.2 風電機組齒輪箱磨損狀態智能監控系統

一般風電場所在地區較偏遠，容易被地理因素、風機數量、風機間距等限制，故有必要結合風電齒輪箱磨損狀況，設計分布式測量的智能監控系統。單一或幾臺風機可采取低成本方式，把監測數據傳遞至中央控制室。若上百臺風機同時監測，則設計更合理的方式。本文采取傳感器無線網絡技術，根據風電機組齒輪箱磨損狀態建立智能監控系統，最大程度發揮單機的通信傳輸性能。風電齒輪箱潤滑油金屬在線監測傳感器是1個傳感器節點，各個節點組成無線網絡系統，向中央控制室科學傳輸數據，根據風場有效整合有線、無線或基站。

5 結束語

傳感器開發與集成油液監測系統的設計依然重要。當前，國內傳感器基本由實驗室組織開發，很少實現工程化應用，也無法結合監測數據對機械設備狀態合理分析。而風電機組齒輪箱油液在線監測可對狀態監測有效輔助，故要對齒輪箱磨損與齒輪箱失效關系科學研究。