风力发电机齿轮箱常见故障分析与预防措施 王俊磊

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/3/28来源:《电力设备》2018年第29期文/王俊磊
[导读]摘要:针对我风电场风力发电机两种型号齿轮箱结构,以及出现的齿轮箱故障。

        (广西桂冠电力股份有限公司山东分公司  264100)
        摘要:针对我风电场风力发电机两种型号齿轮箱结构,以及出现的齿轮箱故障。分析了齿轮箱齿轮损坏、轴承失效、箱体开裂、轴窜动、空心管渗油、风力发电机异常振动等故障的原因。提出了齿轮箱故障的诊断方法及预防措施。
        关键词:风力发电机;齿轮箱;齿轮;轴承;空心管;油质:振动监测
        我风电场建于2007年,运行至今已有7年之久,齿轮箱是整套机组中非常重要的传动部件,已出现明显的裂化趋势。由于风力发电机组的特殊性,齿轮箱维修难度大、费用高,所以对风力发电机组的齿轮箱故障诊断和预防就显得更加迫在眉睫。
        一、齿轮箱的结构
        我风电场1MW、1.5 MW风力发电机齿轮箱由一级行星齿轮和两级平行轴齿轮传动组成,是一种典型的传动装置。齿轮箱利用其前箱盖上的两个突缘孔内的弹性套支撑在支架上。齿轮箱低速级的行星架通过涨紧套与机组的大轴连接,三个一组的行星轮将动力传至太阳轮,再通过内齿联轴节传至位于后箱体内的第一级平行轴齿轮,再经过第二级平行轴齿轮传至高速级的输出轴,通过柔性联轴节与发电机相联。齿轮箱输出轴端装有制动法兰供安装系统制动器用。
        该齿轮箱结构紧凑、拆卸方便,低速级转速低、扭矩大。平行轴圆柱齿轮传动,可合理分配减速比,提高传动效率。胀紧套连接传递的扭矩大。太阳轮质量小、惯性小、浮动灵活、结构简单。
        二、齿轮箱部件损坏形式及原因分析
        齿轮箱的运行环境比较恶劣,受力随风速变化而变化,很容易因润滑不充分、密封老化等原因引发故障。针对我风场齿轮箱故障原因分析总结如下:
        1、齿轮断齿损坏
 
        图1
        齿轮是一种复杂的机械零件,它的制造工艺、安装以及运行维护都是较为复杂的,而这一系列工作过程控制得是否严格,都对齿轮的寿命有很大的影响。造成齿轮损坏的主要原因如下:
        1)风机在高转速运转时,突然紧急停机,高速刹车动作,风机传动链振动晃动较大,轴承串动,齿轮咬合间隙变小,受力瞬间增大,造成齿轮断齿。
        2)齿轮箱齿轮材质、热处理质量存在问题,齿轮长时间疲劳运行,超过疲劳载荷后,齿轮断裂。
        3)齿轮箱装配工艺存在问题,导致齿轮箱齿轮咬合间隙不均匀,长时间存在局部受力过大的齿面,造成断齿。
        4)油位低,油质差,杂质多造成齿轮箱齿轮不能很好的形成油膜,润滑不良造成断齿。
        5)齿轮箱同轴度偏差,导致齿轮箱齿轮咬合间隙不均匀,长时间存在齿面局部受力过大,造成断齿
        6)齿轮箱中速齿轮轴承磨损,导致齿轮箱齿轮咬合间隙不均匀,长时间存在齿面局部受力过大,造成断齿。
        7)齿轮箱弹性支撑固定螺栓松动,造成齿轮箱高速运转时振动较大,与发电机轴承不同轴,齿轮受到应力较大,造成断齿。
        2、轴承失效
        滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时,就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、保持架损坏等。造成轴承失效的主要原因如下:
        1)轴承制造工艺不合格,造成轴承运行过程中受力不均匀,轴承寿命降低。
        2)润滑、密封不良,使杂质进入轴承内部,引起不正常的摩擦磨损,并产生大量的热量,加速润滑油脂劣化,造成轴承无法达到正常使用寿命提前失效。
        3)风机长期过载运行,可能造成轴承变形过大,轴承游隙增大,导致提前失效。
        4)齿轮箱同轴度偏差,导致轴承运行过程中受力不均匀,造成损坏。
        3、箱体开裂
 
        齿轮箱箱体开裂的主要部位为齿轮箱齿圈。导致齿轮箱开裂原因有:
        1)齿轮箱材质不合格。
        2)齿轮箱安装工艺问题。
        3)齿轮箱行星齿轮断裂、卡塞,导致齿圈开裂。
        4、轴窜动
 
        经检查分析,造成轴窜动的主要原因为轴承失效,轴承内皮出现打滑、轴承锁紧套松动、轴承定位销断裂等造成轴向窜动。
        5、空心管渗油
        齿轮箱空心管随着低速轴转动,润滑油会经过空心管密封端盖渗出。导致空心管渗油主要有两方面原因:
        1)空心管密封圈老化或失去弹性.密封不严,使齿轮箱内部的润滑油向外泄漏。
        2)空心管处回油孔堵塞,导致回油不畅,从空心管端盖渗出。
        6、风力发电机的异常震动
        增速箱是受振动相对影响最大的一个。由于风力发电机工作环境恶劣,其破坏率高达40阶50%,同时对风力机的定期检修和定期维护的难度大、费用高,所以对风力发电机组的齿轮箱的故障诊断和预知维修就显得更加迫在眉睫。
        风力发电机组的振动故障发生在主传动链上,其从输入的主轴开始到发电机均为旋转机械部件。常规的振动故障特征多为:
        l)转轴组件故障:转子不平衡,转子不对中,转子弯曲,油膜涡动,油膜振荡,转轴裂纹,喘振。
        2)滚动轴承转动振动:轴承结构特点及加工装配误差,运动故障引起振动(磨损、表面损伤),滚动轴承故障特征频率,轴承元件固有频率。
        3)齿轮的振动分析:齿轮的故障(弯曲疲劳与断齿、齿面磨损、齿面胶合和划痕、齿面的接触疲劳)。与一般的回转机械相比,齿轮振动具有如下几个显著特点:
        l)较高的振动特征频率。齿轮振动的特征频率主要为其啮合频率及其倍频成分,对于石化行业等高速回转机组的齿轮箱而言,一般达5000一I0000Hz以上;而且齿轮啮合过程中还经常存在一定程度的冲击现象,其响应频率更高。
        2)较强的非线性。齿轮回转过程中,其刚度不断变化,呈现出较强的非线性,因此齿轮振动经常呈现出某些非线性特征。
        三、齿轮箱故障预防措施
        齿轮箱设计使用寿命通常为20年,目前国内外产品都达不到此要求,所以及时诊断故障和进行设备维护至关重要。下面介绍几种齿轮箱故障预防措施。
        1、齿轮箱同轴度检查
        利用半年度维护对发电机与齿轮箱的同轴度进行检查,发现同轴度不合格,及时调整,以保证齿轮箱轴承及齿轮使用寿命。
        2、回油孔检查
        利用定期维护,对齿轮箱空心管端盖上的回油孔进行清理,防止回油孔阻塞,空心管端盖渗油。
        3、齿轮箱过滤器检查更换
        观察齿轮箱入口压力是否正常,如果低于报警值时需要检查过滤器是否堵塞;如果没有报警需每年或在压差传感器状态信息发出后10 天内更换一次滤芯。
        4、油化验
        齿轮和轴承在转动过程中它们实际都是非直接接触,这中间是靠润滑油建成油膜,使其形成非接触式的滚动和滑动,这时油起到了重要的润滑、冷却作用。
        齿轮油主要化验项目:外观分析、40℃粘度、总酸值TAN测试、含水量、磨损金属/ICP分析。通过对以上指标检测对比,分析油品状况,对检测正常的油品定期进行过滤,对严重超标的油品进行换油。
        5、内窥镜检查齿轮箱
        内窥镜具有携带方便、清晰度高的特点,利用探头探测齿轮箱内部的轴承及齿轮。设备出现振动、噪声增大、温度升高等情况时,可停机打开观察孔. 使用内窥镜检查齿轮啮合情况和齿轮箱底部是否有异物存在,这样的检查方式能够非常直观地表现齿轮箱内部的情况。
        6、风力发电机振动监测
        为了分析解决风力发电机组的异常震动,风机厂家普遍采用振动监测方法,监测分析振动发出源,以便更好的解决风力发电机异常振动引起的齿轮箱大部件损坏。
        (l)对滚动轴承进行监测,是一项长期和周期性较强的工作,被测设备需要在稳定的载荷工况下运行,而目每次测试的工况、测点位置、仪器都应相同,以保证测试的真实性和可比性。
        (2)轴承以外其他振动构成轴承振动信号检测的干扰源,是实施冲击脉冲诊断轴承故障的最大障碍,会使检测结果失真,需要识别和排除干扰因素。
        图为传感器分布图。根据振动方案和实际分析需要的某位置振动数据的要求,我们将检测系统中的传感器位置安排为如下的位置,如图所示。


        采用的传感器是振动加速度传感器,振动传感器是测量运动体的绝对振动,其优点为频响范围宽、体积小、质量轻、灵敏度高;其缺点为不易在高温环境下使用,装配困难、成品率低。但风力机的工作环境多为远离城市的偏远地区,且又处于几十米的高空,工作环境为+40一50。温度,同时风力机的机舱的空间大,所以其能满足传感器正常工作的条件。
        根据1WM风力机的结构特点,至少需要安装10支加速度传感器,由于齿轮箱采用了行星轮结构,在内齿圈、小太阳轮、输出齿轮处应分别加装振动传感器。将其合理布置在风机中各个需要检测的位置。其检测位置为齿轮或轴承的运转部位,传感器在风力组布置位置(图1)及其作用(表1)。
        在振动传感器安装完成以后,用振动监测系统监测风力发电机组各部位振动数据,更好的分析振动产生的原因,提前预防,保障齿轮箱等大部件安全稳定运行。
        结语
        风力发电机齿轮箱作为风力发电机组的主要传动链部件,其对风力发电机是否能够正常运行有着至关重要的地位。他们能否平稳正常的工作,对风力发电机是否能够满负荷发电有着决定性的作用。齿轮箱作为机械部件的核心成分,我们要时刻的关注它们的运行状况,一旦出现故障其后果将难以想象。风电场应加强配置MW级风力发电机的在线监测和故障诊断系统,能够及时准确的监测到传动链的运行工作状态,是评价该系统好坏的决定性要素。
        随着齿轮箱运行时间的增长,故障也会越来越多,通过加强对齿轮箱运行参数的监控,按时进行设备维护保养,可以有效的降低齿轮箱故障率,保障机组安全稳定的运行。