风电机组齿轮箱故障研究及现状

风电机组齿轮箱故障研究及现状

潘建仙

福建省福能新能源有限责任公司 福建省莆田市 351100

摘要：近年来，我国风电总装机容量逐年快速增长。作为风电系统和风电机组的核心动力设备，风电机组齿轮箱的运行状态直接关系到风电机组的整体性能和运行状态。由于风机内部运行环境恶劣，齿轮箱长期处于交变冲击载荷运行工况下，导致运行环境具有高度间歇性、波动性大等特点，容易直接产生齿轮点蚀、轴承表面损坏和齿轮磨损等故障。由于齿轮箱关键零部件故障后维修难度大，维修成本高，因此有必要对风电机组齿轮箱关键零部件进行诊断。

关键词：齿轮箱；故障研究；故障诊断

1风力发电机组齿轮箱结构

1.1风力发电机组齿轮箱结构

主要部件包括变速器齿轮箱、齿轮传动部件、轴承及配套的齿轮润滑系统。传动齿轮的部件主要包括行星齿轮齿条、输入轴、太阳轮、行星轮、内齿圈、中间轴和齿轮输出轴。根据齿轮功率和传动方式的不同，变速箱的传动结构大致可分为三类：定轴齿轮传动、行星齿轮传动及其组合结构和传动形式。其中，固定轴齿轮箱的行星箱为齿圈和输出轴的传动提供支撑。叶轮的旋转功率直接传递到齿轮的输出轴上，承受多个内外齿轮的载荷。行星齿轮箱主要由三个行星轮和两个行星固定轴齿轮传动组成。齿轮箱结构由一级行星定轴齿轮传动和二级行星定轴齿轮传动组成，如图1所示。

图1齿轮箱结构

1.2风力发电机齿轮箱工作机理

在风的作用下，叶轮高速旋转，行星轮和轮毂的旋转带动行星和齿轮箱的输入中轴，然后直接带动行星轮和轮架的旋转。通过齿轮箱上行星轮的内齿圈和行星轮与太阳轮的啮合，太阳轮可以直接实现太阳轮的旋转，而太阳轮可以实现太阳轮的旋转，完成第一轮的增长速度。然后太阳轮的大齿圈带动中间轴上的大同轴齿轮输出和行星轮与小齿轮啮合形成的旋转，直接完成二、三轮的增长速度。通过中间轴和传动轴的齿轮啮合形成旋转，然后直接形成第三级增长。

2风电机组齿轮箱的故障研究

发电机组齿轮箱内部结构复杂，各连接部件之间主要采用耦合方式连接。如果一个零件的连接损坏，可能直接导致属于该齿轮箱的其他零件发生故障。风电机组齿轮箱故障可分为齿轮故障、齿轮箱内部供油系统故障、滚动轴承系统故障等。

2.1齿轮故障

风电机组运行设备的工作环境相对恶劣，这往往发生在风电机组运行设备的工作环境温度较低或较高的情况下。当箱内温度较低时，齿轮油的粘度会增加，甚至容易出现凝固现象，这很容易直接导致齿轮油润滑不良，长期来看，设备容易出现细小的点蚀裂纹现象。当箱内温度较高时，由于齿轮箱内部空间小，散热性较差，齿轮油的温度急剧升高，齿轮啮合油膜会变薄，齿面上的摩擦压力也变大，从而容易出现点蚀裂纹现象。同时，由于齿轮转动过程中应力的快速变化，齿轮容易因疲劳过度而产生细小的点蚀裂纹。齿轮过载时，齿根严重断齿的主要原因是应力断裂和疲劳断裂。疲劳断裂主要是由于齿根的应力集中而引起的，齿根承受一定的周期性过大载荷。齿轮高速啮合时，齿根承受较大的弯曲应力，当弯曲应力强度超过此极限时，齿根会迅速产生裂纹，随着齿轮高速运转，在裂纹扩展的深度内，齿根的强度和应力开始逐渐变弱，当齿根承受弯曲时就可能发生断裂。

2.2齿轮箱供油系统故障

齿轮箱风电机组供油系统故障主要是齿轮箱润滑油泵过载、齿轮箱油位低、油温高造成的。一般齿轮箱油泵过载主要是在寒冷的冬季，当齿轮箱温度较低时，风机油泵将直接停止运转。此时，由于加热设备中的齿轮箱润滑油不能启动，使齿轮箱润滑油能保持在一定的工作温度下齿轮箱润滑油的粘度会很高。油泵启动困难，电机容易过载。此外，当风电机组齿轮箱输出齿轮轴油封管路损坏时，润滑油容易直接进入齿轮箱的接线端子箱，造成端子处出现异常现象，容易造成齿轮箱油泵过载。齿轮箱密封不良或齿轮箱润滑油管路泄漏，容易直接导致整个齿轮箱的油位偏低。当齿轮箱在高温负荷下长时间工作或自身散热系统性能出现问题时，润滑油温度容易出现异常。此外，部分齿轮箱未及时充分考虑润滑油冷却系统的性能设计，导致齿轮箱润滑油冷却效果差，使齿轮箱润滑油温度升高。

2.3滚动轴承故障

在滚珠轴承的安装和运行过程中，滚珠轴承内圈和滚珠轴承的载荷分布不均，在载荷不足时会使滚珠轴承的受力较大，使轴承内圈和外圈在滚珠轴承和应力循环中产生不同大小的应力，造成滚动轴承故障。当滚动轴承外圈受到转动和应力的影响，与接触点相距一定距离时，球轴承内部会出现细小的裂纹，裂纹会逐渐扩展，腐蚀性金属会剥落，导致滚珠轴承点蚀。因此，当滚珠轴承内有金属或外部杂质直接进入外圈或滚道内时，会直接造成轴承内的磨损或划伤。此外，安装位置错误或供油不足也会使轴承磨损和滚珠磨损更加严重。

3故障诊断的技术及方法

3.1基于振动频谱分析诊断手段

齿轮箱的主要振动可分为两类，即齿轮箱常规振动和非常规振动。在齿轮箱正常运行时，齿轮箱的一般振动和故障不会对其振动频率产生明显影响。然而，在非常规振动过程中，齿轮箱的振动和故障会影响振动的振幅和频率，这主要取决于齿轮箱的振动频率、类型和综合刚度。齿轮箱在正常运行和非正常运行时的振动类型和频率不同，这主要体现在振动的频谱上。因此，根据振动频谱信号，很容易判断齿轮箱的振动形式是否正常。

3.2基于振幅调制理论的诊断方法

齿轮箱振动的频率和幅值信号将长期受到周期性振动载荷的影响。因此，可以对齿轮箱的振幅信号进行调频，以诊断齿轮箱的周期性故障。诊断过程主要是：以齿轮转速的振动频率信号作为调制传感器载体的振动频率信号，以齿轮转轴的啮合振动频率信号作为调制载体的振动频率信号。在齿轮振动控制系统中，当任何齿轮承受周期性载荷时，齿轮的振动速度信号都会在频谱中波动，形成特征频率的周期调制。一旦齿轮箱出现故障，齿轮振动的频谱调制就可能出现在频谱中，反映在齿轮振动频谱中的是振幅调制信号。

3.3基于振动频谱的故障诊断技术与方法

风电机组的齿轮箱在运行过程中会出现难以避免的振动情况，在齿轮箱振动频谱和振动信号的分析中有大量的信息，这对我们准确分析齿轮箱振动的严重性和故障类型有非常重要的意义，不同类型的振动箱故障严重性和影响程度有不同的频率变化，对应齿轮箱振动的不同特性，会引起齿轮箱频谱的不同变化。通过在线诊断监测的频谱分析方法，提取齿轮振动的频谱信号作为诊断基准的频谱，监测整个发电机组齿轮箱运行过程中振动频谱变化的差异，从而为齿轮箱故障诊断提供重要依据。与其他在线诊断方法相比，将复杂的频谱波形分解为基准的频谱，大大降低了分析的复杂性和难度，能够及时有效地判断风电机组齿轮箱故障的严重程度。

4结束语

齿轮箱是整个风力发电机组的关键设备。齿轮箱的运行稳定性直接关系到整个风电机组的运行效率和安全性，对风电机组齿轮箱的故障稳定性进行分类，并研究风力发电机组齿轮传动系统的工作原理，分析风力发电机组齿轮箱的一些典型故障，并有针对性的提出了齿轮箱故障的诊断方法和技术及防治措施，为保证风力发电机组齿轮箱的安全可靠运行和发展提供一定的理论依据和技术支持。

参考文献

[1]张少敏，毛冬，王保义.大数据处理技术在风电机组齿轮箱故障诊断与预警中的应用[J].电力系统自动化，2016，40（14）：129-134.

[2]李状，马志勇，姜锐，等.风电机组齿轮箱故障分类方法研究[J].机械设计与制造，2015（2）：177-180.

[3]李状，马志勇，姜锐，等.风电机组齿轮箱故障分类方法研究[J].机械设计与制造，2015（2）：177-180.