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风力发电机组齿轮箱轴承故障分析与解决方法


[中崋轴承网] 2021/4/13 11:03:45 作者:中崋轴承网

摘 要:在风力发电机组传动系统中,齿轮箱是重要的组成部分,而轴承是直接决定齿轮箱能否正常运转关键的装置。由于轴承长期处在滚动的状态下,经常会出现故障导致发电机组无法正常地运行,严重情况会损害电网的使用寿命。引发轴承出现故障的原因,主要是轴承点蚀、高温或者轴面磨损等情况组成。本文围绕风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断探析展开讨论,为解决齿轮轴承出现的故障采用的方法提供参考依据。

关键词:风力发电机;齿轮箱;轴承;振动;故障诊断

齿轮箱中轴承具有传递运动、扭矩以及变速等功能,一旦轴承出现故障,会严重影响齿轮箱的正常使用。若齿轮出现故障,其中 60% 的原因是由于齿轮失效引发的。现阶段对齿轮箱出现的故障进行诊断时,会采用振动法、油液分析法以及混沌诊断识别法。齿轮箱进入到运行状态,齿轮箱内的组成部分,包括轴、齿轮以及轴承等零件,都会处在振动的状态,受到振动的影响,轴承会出现点蚀情况,或者由于高温、轴面磨损等,导致轴承无法继续工作,严重影响发电机组正常的运行。

1 齿轮箱故障分析方法

齿轮箱出现故障时,需要工作人员对其进行充分的分析,主要分析齿轮齿形存在的误差、箱体出现共振、轴承点蚀、高温、轴面磨损以及转轴弯曲等。通过对齿轮箱出现的故障特征进行深入的了解,工作人员应按照故障分析的标准,采用加速度时域分析、频域分析等方法,收集齿轮箱在振动状态下发出的信号,将齿轮箱产生的平均振动能量、时域峰值等参数作为研究对象,判断齿轮箱整体振动情况。采用速度时域分析方法,将平均振动能量、时域信号峰值等参数进行诊断,以便确定引发齿轮箱故障的原因。采用频谱分析方法,是将齿轮箱在振动状态下,对齿轮的啮合频率、加速度信号以及外环固有频率进行检测,以便寻找的齿轮箱故障的引发因素。目前在对齿轮箱故障分析时,通常会在工业现场环境中进行,为获得更加准确的故障分析数据,一般会对齿轮的征兆状态进行检测,并且会真实地反映出齿轮故障的位置、影响范围以及性质等,为工作人员提供必要的参考依据,从而采用针对性的措施解决齿轮箱出现的故障。

2 风力发电机组传动系统典型故障诊断

2.1 风力发电机组传动系统结构诊断

目前,发电机和机械传动系统是组成风力发电机系统重要的组成部分,并且承担稳定发电机组正常运行的功能。而在风力发电机组内,齿轮箱、发电机以及轴承在振动状态下,会频繁地出现故障,尤其是轴承易出现点蚀、轴面磨损等故障,而且在高温的环境中,会缩短齿轮的使用寿命。此外,作为风力发电机组提供动能的关键设备,齿轮箱、轴承以及联轴器等零件,都会受到不同程度荷载的冲击,在不同荷载作用下,极易导致传动系统出现故障。

图1 齿轮箱、发电机测点分布图

风力发电机组在运行状态下,在传动系统的带动下,将风能转换为机械能,再将机械能运输至发电机,最后产生电能。传动系统主要由主轴、联轴器、高速轴等装置组成,每个装置结构不同,在运行状态下轴承出现故障的位置、影响范围以及性质也不相同。主轴是连接风轮和齿轮箱的关键装置,风轮在转动时,通过扭矩的变化将能量传输至齿轮箱,在齿轮箱的带动下,产生的轴向力会作用在其他装置上。联轴器是两个不同装置相互连接的零件,联轴器在转动时,会带动其他两个装置共同旋转。不同运动状态下产生的动力,需要联轴器具备缓冲、减振等功能。联轴器通常由主动轴和从动轴组成。高速轴是增速齿轮箱和发电机连接的装置,高速轴保持在高速状态,可带动发电机高速转动产生电能。

2.2 风力发电机组传动机构典型故障诊断

将风能转换为电能,通常需要风力发电机组常年在大风等恶劣的环境中运行。在风力发电机组设计时,将最低承受温度设置在零下 20℃,但是,许多地区的最低温度会低至零下 40℃ ,并且风力发电机组还需要承受较强的风力,会增加机组承受的荷载,极易引发传动系统出现故障。尤其是机械传动装置中,轴承会出现点蚀或者轴面磨损等故障,若工作人员未能及时解决故障,或者未能将出现故障的零件进行更换,会使故障范围不断扩大,最终导致风力发电机损坏。

2.2.1 齿轮箱故障诊断

齿轮、滚动轴承和轴等零件,是构成齿轮箱重要的部分,在对齿轮、滚动轴承和轴出现的故障进行分析时,通常借助振动信号频率特征以及故障特征,可以判定引发齿轮箱出现故障的原因。风力发电机组在运行过程中,通常会保持在较高的转速,一旦出现故障,齿轮箱内零件会出现噪音,并且伴随不规律的振动。在对振动信号产生的时域、频域以及幅值进行检测时,工作人员会得到许多故?数据,最明显的是齿轮故障和滚动轴承故障数据,一旦风力发电机组运行速度提升,上述故障就会出现。

风力发电机组通常处在风力较大的环境中,一般在荒野、海岛等恶劣的地区,而由于风力产生的荷载具有无规律特征,并且会在瞬时状态对风力发电机组产生强大的冲击力,会引发风力发电机组出现故障。目前,风力发电机组最高转速,每分钟可高达 1500 转,在长时间高速运转过程中,齿轮箱会出现高温发热的情况,同时在荷载的作用下,会引发齿轮箱出现故障。目前,齿轮箱常见的故障,包括局部故障和分布故障。局部故障包括齿轮损伤、弯曲疲劳等,分布故障分为齿面磨损、轴承损坏等。出现的故障形式包括以下几种:第一,断齿。齿轮受到周期性的应力作用后,会在根部出现裂纹,而在荷载长期的作用后,齿轮会出现断齿情况;第二,齿轮齿面疲劳。齿轮箱在运动状态下,受到机械力学的作用,产生的作用力会使齿轮出现相对滑动的状态,只是齿面出现点蚀、破坏性点蚀以及表面压碎等情况。齿轮齿面出现疲劳状态,故障状态表现为振动信号出现啮合频率、振动能量增大以及能量幅值增大等;第三,齿面胶合。齿轮受到高速重载的作用后,齿轮箱处在高温的状态下,此时,齿面受到高温的影响以及压力作用,会在齿面出现磨损等情况,并且在齿轮相对滑动的状态下,齿面未能进行充分的润滑,导致齿面出现胶合故障。

2.2.2 转子不对中故障诊断

风力发电机作为大型机械设备,发电机组通常放置在离地面几十米的高空中,而且受到风力的作用,安装笨重的发电机组难度较大,无法保证转子精准的对中安装。若转子未能保持在对中状态,此时,发电机组在长期运行过程中,在风力以及运行高温共同影响下,齿轮箱内的阻尼器会出现变形,导致转子和轴承无法保持在对中状态,此时,发电站机组会出现不规律振动,致使前后旋转装置轴心无法保持在同一条直线状态,从而引发轴承出现故障。转子出现不对中的故障,除了安装难度较大以外,还由于以下原因导致的:第一,运动状态下的转子,会由于该变量发生的变化,导致从动转子与主动转子间,产生不同的动态情况;第二,承载转子轴承座出现不同的膨胀情况;第三,机壳出现变形或者位移情况;第四,发电机所处地基出现不均匀沉降;第四,转子出现弯曲情况,引发机组出现不平衡的旋转情况。

2.2.3 滚动轴承故障诊断

在传动系统中,滚动轴承是重要的装置。滚动轴承一般由内环、外环、滚动体以及保持架构成。在发电机组内配置滚动轴承,是发挥滚动轴承具有的效率高、易于润滑以及摩擦阻力小等优势。但是,滚动轴承在使用过程中,会出现较大的噪音,同时,无法承受较大的冲击力。若滚动轴承出现故障,极易引发发电机组出现大范围的损坏情况。在对滚动轴承故障进行分析时,主要故障特征分为以下几个方面:第一,轴承内环出现剥落或者点蚀情况。使用频谱对内环进行检测,会出现较为明显的谐波变化;第二,外环出现剥落或者点蚀情况。使用频谱进行检测,此时故障特征为无变频、无调幅情况;第三,滚动体出现剥落或者点蚀情况时,在故障位置会出现明显的调制峰群特征;第四,保持架出现变形或者脱落。使用频谱进行检测,发现保持架出现特征频率以及谐波。此外,滚动轴承的故障形式分为以下几种,分别为疲劳剥落故障、磨损故障、裂纹和断裂故障以及压痕故障。

2.2.4 发电机故障诊断

发电机出现故障,可分为定子绕组故障和轴承故障。出现定子绕组故障时,绕组出现破坏、磨损以及裂纹等情况,此时绕组无法提供绝缘功能。出现轴承故障时,不同部分的故障会产生不同的振动信号,以转子不对中为例,会将这类问题归纳为偏心故障。此外,转子和定子是由轴承支撑,轴承会承受较大的径向负荷,在较大的荷载作用下,导致轴承出现故障。通常情况下,轴承会出现内外圈损坏、点蚀以及磨损等情况,而且轴承在振动状态下,会提升出现故障的概率。

3 结语

综上所述,风力发电机组出现故障时,需要以科学的角度判定引发风力发电系统出现故障的原因。一旦风力发电机组出现故障,工作人员应对机组内的传统系统进行充分的分析,逐一排查系统内不同装置存在的故障因素。但是,受到故障诊断条件的影响,只能通过理论依据以及试验等方法,对发电机组内齿轮箱轴承出现的故障进行模拟分析,还未能通过在线测试的方法获得准确的数据。在对齿轮箱轴承故障进行分析时,应以复合故障诊断和混合智能故障诊断等技术,作为检测故障的方法,有助于提升检测效率,高效处理轴承出现的故障。

参考文献:

[1] 王朝晖, 崔厚玺. 应用倒频谱分析法对风力发电机组齿轮箱故障诊断

[2] 符智, 郭波江. 风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断研究

[3] 刘成浩, 马瑀泽. 风力发电机组齿轮箱振动测试及分析

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