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风力发电机组齿轮箱故障诊断

通过对不同齿轮箱振动频谱的检测结果的分析, 论述了判断齿轮箱由于长期 处于某些恶劣条件下, 如交变载荷或润滑油失效,引起的齿轮和轴承损坏的检测 方法。分析了齿轮箱出现故障的原因以及应采取的措施。 风电机组齿轮箱的结构及运行特征 我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组。近几年来,一批齿轮箱发生 故障,有些由厂家更换,也有的由国内齿轮箱专业厂进行了修理。有的风场齿轮 箱损坏率高达 40~50%,极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎接近 100%。虽然齿 轮箱发生损坏不仅仅在我国出现,全世界很多地方同样出现过问题,但在我国目 前风电机组运行出现的故障中已占了很大比重,应认真分析研究。 过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构, 后来为避免齿轮 箱造价过高、重量体积过大,500kW 以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星 轮的混合结构。由于风电机组容量不断增大,轮毂高度增加,齿轮箱受力变得复 杂化,这样就造成有些齿轮箱可能在设计上就存在缺陷。 由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧洲相比有特殊性,可能对标准设 计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带,尤其是 东南沿海及岛屿, 地形复杂造成气流受地形影响发生崎变,由此产生在风轮上除 水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大, 对于风电机组机械传动力系来说,经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传 递动力的装置-齿轮箱,由于气流的不稳定性,导致齿轮箱长期处于复杂的交变 载荷下工作。由于设备安装在几十米高空,不可能容易地送到工厂检修,因此经 常进行状态监视可以及时发现问题,及时处理,还可以分析从出现故障征兆到彻 底失效的时间,以便及时安排检修。 在我国北方地区, 冬季气温很低,一些风场极端(短时)最低气温达到-40℃以 下,而风力发电机组的设计最低运行气温在-20℃以上,个别低温型风力发电机 组最低可达到-30℃。如果长时间在低温下运行,将损坏风力发电机组中的部件, 如齿轮箱。 因此必须对齿轮箱加温。齿轮箱加温是因为当风速较长时间较低或停 风时,齿轮油会因气温太低而变得很稠,尤其是采取飞溅润滑部位,无法得到充 分的润滑,导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而损坏。如果机舱温度也很低,那么管 路中润滑油也会发生流动不畅的问题,这样当齿轮箱油不能通过管路到达散热 器,齿轮油温会不断上升直至停机。

归纳起来, 我们可以分析在我国风电场经常发生齿轮箱故障可能主要有以下 原因: 1、齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损 大气温度过低,润滑剂凝固,造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损 润滑剂散热不好,经常过热,造成润滑剂提前失效而损坏机械啮合表面 滤芯堵塞、油位传感器污染,润滑剂“中毒”而失效 2、设计上存在缺陷 齿轮的承载能力计算一般按照 ISO6336(德国标准 DIN3990)进行。当无法从 实际运行得到经验数据时,厂家可能选用的应用系数 KA 为 1.3,但实际上由于 风载荷的不稳定性, 使得设计与实际具有偏差,造成齿轮表面咬伤甚至表面载荷 过大而疲劳破坏。说明当选择应用系数 KA 为 1.3 时,齿轮传动链中载荷远超出 按假设设计值。如果轴承选择不合适,由于轴向载荷相当大,而造成轴承损坏。 3、 失速调节型风电机组安装角如果设置过大时,冬季就会出现过功率现象, 过高载荷影响齿轮箱的寿命。

过对风电机组旋转部件的运行特征进行状态监测,比如实时监测齿轮箱、主 轴、 发电机等部件的振动频谱、 齿轮油污染情况或定期对上述部件的状态进行监 测、记录,及时发现隐患,找出导致问题出现的原因,相应采取措施加以解决。 从风力发电机组齿轮箱目前发生的故障来看,齿轮、轴承部件的损坏主要有几种 情况的磨损:粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀。这些磨损 出现之后,轻则金属微粒会污染润滑剂,影响功率传递,产生噪音,造成齿面严 重磨损或断裂,轴承内外圈或滚珠损坏,严重的使机组无法转动而彻底停机。当 机械部件发生初期磨损时, 其振动频谱上会产生响应特征频率,通过测试仪器可 以进行设备的状态监测。 应用 SKF 公司 CMVA6.0 状态监测系统对风电机组齿轮箱故障进行诊断 我们采用 SKF 的 CMVA6.0 状态监测仪,对张北风场 2 台 NTK300/31(其中:1 号机齿轮箱在齿轮箱厂才修过且运行不满 1 年,2 号机为出现问题齿轮箱)齿轮 箱进行了对比, 通过齿轮箱内轴承和齿轮间啮合的频率和振动分析,准确地找出 了 2 号机齿轮箱的故障点,既 NJ234 和 NJ320 二个轴承损坏,为齿轮箱修复发 现问题及解决问题提供了判定依据,减少了修理周期,相应提高了设备可用率。 机组情况描述:机型 NTK300/31(NEG/MICON 早期产品) 额定功率:300kW

齿轮箱类型: JA/KE CS520 安装风场: 张北风电场 已运行时间: 30,505h 已发电量: 2,923,913kWh 齿轮箱损坏情况:首先,轴承 NJ234 (IM1)内圈挡环粉碎,IMl 轴轴向串动 16mm,进而引起,轴承 22318 (HS)和 NJ320 (IM2)损坏。 监测方式:分别对张北风场两台 JA/KE CS520 (NTK300/31)齿轮箱进行状态 监测 监测对象:1 号齿轮箱为在齿轮箱厂才修过且运行不满 1 年;2 号为有问题 齿轮箱 监测状态:风电机组投运,并网发电 监测时间:2h 取样/分析程序: 1) 所有轴承端盖的水平和垂直方向各取 1 个点 2) 风电机组并网,依次在各取样点提取振幅和频率数据 3)在计算机中进行频谱分析,得知轴承、齿轮啮合状况。若发现问题,根据 频谱特征,结合齿轮箱的运行参数,推断引起问题的因素。 4) 建立状态分析档案,跟踪质量检查。 监测结果: 1 号齿轮箱:齿轮间啮合及轴承运行工况良好。 2 号齿轮箱: 1)输入轴: 出现齿轮箱的啮合频率及其高倍的谐波分量, 说明轴承状态良好, 齿轮运行存在缺陷。 2) IM1 轴: 输入端:出现了缺陷频率和谐波分量,说明轴承状态及齿轮运行不良。 输出端: 出现大量的缺陷频率和谐波分量并加杂大量边频,说明轴承己明显 损坏,齿轮的啮合不良。 3) IM2 轴:出现不少轴承缺陷特征,说明轴承有问题。 4)高速轴:输出端的振动频谱说明无明显的轴承损坏特征。 三 结论

综上所述,我们认为:对于齿轮箱齿轮、轴承的故障诊断尚处于摸索时期, 还需要有一定的时间和更多的实践, 由于我们对为数不多的几台风电机组的齿轮 箱进行了分析,难免存在有一定的片面性,但其效果经证实是有效的。 我们采用状态监视系统对风力发电机组齿轮箱进行检测, 对于我们发现和正 确判断出现的故障以及判断故障位置和可能的原因有很大的帮助, 从风力发电机 组运行管理的角度来看, 我们必须了解齿轮箱的状态,以及当出现问题时能得到 正确的判断和相应的处理。 我们感到只有借助仪器的测试数据才能真正了解故障 的原因以及应采取的措施,避免故障的进一步扩大,并指导日后的修理。 某些振动频率幅值超过设计极限,也是造成设备损坏的一个原因,因此国外 一些厂家在齿轮箱上安装一些阻尼器,抑制某些频率而达到减少设备破坏的目 的。 我们无论是国产化制造齿轮箱还是齿轮箱的用户, 在今后运行维护中应注意 以下几点: 1) 必须深入了解齿轮箱输入的载荷谱,以及齿轮箱的振动频谱,通过测试 分析找出故障原因,并在设计制造中进行改进,如设计参数、加工工艺改变。 2) 对于不同用户应采取不同措施,如阵风大,交变应力较大的地方,应对 齿轮箱及轴承进行加强设计。 3) 低温时,应考虑妥善的加热方法,以及良好的散热系统。 4) 应充分监视振动频谱,对齿轮箱故障进行预测,如果齿轮箱轴承或齿轮 出现故障特征频率时,及时分析处理,并不断进行测试最终建立数据库。 5) 应不断检查润滑部位是否充分得到润滑,以及润滑剂是否有杂质,是否 已经失效。 6)必须对重点部位的温度进行监视,对超温进行保护并及时发现问题。 总之,齿轮箱损坏需引起我们的重视。正确分析原因,采取相应措施,国产 齿轮箱代替进口是完全可行的。


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