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风力发电机组齿轮箱故障诊断
张世惠 徐海峰 郝向中
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摘要: 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。
关键词：风电机 齿轮箱 轴承 状态检测
一、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。
1) 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。
2) 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。
3) 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。
二、风电机组齿轮箱故障诊断
通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。
1.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。

（图片）

图1 振动加速度包络线频谱分析：轴承外环明显损坏

3) IM2轴：出现不少轴承缺陷特征，说明轴承有问题，如图1。
4) 高速轴：输出端的振动频谱说明无明显的轴承损坏特征。

（图片）

图2 振动加速度包络线频谱分析：无明显损坏

以上监测结果与实际检查完全吻合。通过对齿轮箱的状态监测，我们准确的找到了故障的位置和故障点，缩短了齿轮箱修理而造成的风电机组停机时间。
2.应用SKF公司Marlin状态监测系统对风电机组齿轮箱故障进行测试
采用SKF公司Marlin状态监测系统对NOEDEX N43/600kW风电机组齿轮箱高速端的速度、加速度、温度进行检测，发现数据异常，经开箱后发现齿轮油已严重污染，齿轮齿面已有磨损。
Marlin系统由三部分组成：状态探测器（MCD）、数据管理器（MDM）及PRISM4 Surveyor应用软件。Marlin可通过状态探测器（MCD）读出机器状态，即两个振动测量值（速度和包络加速度）和一个温度测量值。探测器自动把这些读数与预设参数作比较，当发现超出正常值限时立即向操作人员发出警报。从探测器上发出的读数可立即显示和存储在数据管理器（MDM）上，数据管理器主要作用是输入、存储和对机器状态进行检查。PRISM4 Surveyor软件可简化数据的收集、存储和分析，绘制出历史趋势曲线。
风力发电机组由风轮、齿轮箱及发电机等组成。为了捕获风资源的需要，整个旋转轴系安装在几十米高的塔架上，这就给机组各部位的测量带来不便。而Marlin系统的数据采集部分状态探测器（MCD）和数据管理器（MDM）便于随身携带，因而十分适合对风电机组的重点部位进行状态测量。
1) Marlin系统的优势
① 状态探测器（MCD）既可单独使用，又可与数据管理器（MDM）联合使用。当单独使用MCD时，根据报警信号可对机组测量点的实时状态马上作出判断，十分方便。当需要了解机组运行当中的某个过程时，将采集到的数据传到MDM中进行保存，然后再进行详细分析。
② 由于Marlin系统的测量数据既包括振动速度，又包括包络加速度，因此我们不但可以发现低频到中频的故障如不平衡、不对中、转子弯曲、松动等，又可检测到轴承及齿轮的缺陷，这一点对风电机组尤为重要。此外，对温度的测量，可以帮助分析轴承温度，对故障的判断起到一定的帮助作用。
2) Marlin系统的不足
Marlin系统作为SKF公司的一种较为简易的状态监测产品，其分析和诊断功能较为薄弱。通过对测量数据进行趋势分析，我们仅能看到其在一段时间内的总体水平；如果发现了某些测量点的数值超出报警限值，也仅能做出一个早期故障的判断，而对于故障的具体来源及原因便无从得知，这时就需要借助更为先进的工具如Microlog系统，来做进一步的分析，如FFT频谱分析、频谱趋势分析、时间波形分析等，以便对故障做出准确判断。
3) 采用Marlin系统对风电机组进行状态监测需要作大量的工作
由于现阶段对风力发电机组的状态监测所作的工作还非常有限，因此我们在设定测量值的报警限值时还有一定的困难。设定准确的报警水平既需要有机组振动监测的经验，又需要有被监测机组正常振动水平的经验，只有当我们了解了正常的振动水平，才会发现机组的异常振动。这就需要我们对机组的每个测量点作长时间的监测，收集其振动发展趋势信息。当测量点的振动趋势表明机组处于一个持久的良好工作条件时，就可把报警值设定在这个趋势水平之上。此外，当对机组进行修理后，如果必要的话，也需要对报警水平进行调整。
3.现场测量点的选择
根据目前风电机组的实际运行情况，通常齿轮箱齿轮及其轴承、发电机及其轴承是较容易发生故障的部件，因此在常规的监测中，可将齿轮箱前后轴承、发电机前后轴承分别作为测量点。这样做是基于如下的考虑：
1) 当机组的主要轴承失效时，机组就得停机。监测轴承的振动可以较早发现轴承故障，这就为及早安排必要的维修提供了宝贵的时间。
2) 由于轴承承载着机器的负荷，许多典型的机械问题如不平衡、不对中、松动等都会将振动信号传给轴承。因此通过监视轴承的振动，就会同时发现上述典型机械故障及轴承缺陷。
4.存在问题
1) 缺乏足够数据
由于缺乏任何可供比较的历史运行数据，因而分析引发缺陷的原因有一定难度。如，是不对中、不平衡、机件松动还是轴弯曲等引起的损坏。
2) 缺乏经验
针对位于齿轮箱内部的轴承及齿轮啮合的诊断，状态监测还存在一定的难度，这是由于数据采集探头距离监测点较远，该诊断须排除其他干扰因素，以达到准确判断，需要进一步探索。
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。 1/10/2005

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