风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断与排除优化探讨.docx

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1、风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断与排除优化探讨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。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

2、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。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

3、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。风力发电机组传动系统典型故障诊断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

4、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。齿轮箱齿轮箱、发电机测点分布图图1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

5、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。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

6、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。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障数据，最明显

7、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

8、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。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

9、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

10、机组出现不平衡的旋转情况。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

11、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。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

12、况，而且轴承在振动状态下，会提升出现故障的概率。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。风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析1 .故障原因的初步判断通过对风力发电机组

13、中破坏的齿轮箱进行插接后看出，一个行星齿轮断裂成为4块，具体情况如图1所示。通过查看齿轮箱的损坏情况能够看出，造成行星齿圈损坏的最主要问题在于发生断裂情况后由于传动载荷不够均匀还有就是断裂的齿轮发生了错位等。所以造成齿轮箱损坏的最直接原因在于行星轮发生了断裂。图1齿轮损坏情况通过对行星齿轮破损的4块碎片进行仔细检查后可以发现，齿轮的八个断面中有六个断面(AF)存在疲劳裂纹扩展的痕迹，这六个断面上的疲劳断裂痕迹区域的几何形状都存在或多或少的差异，能够看出每一个疲劳裂纹扩展的速度都是存在差别的，造成这一差别的主要原因在于裂纹源附近承受的应力状态不一样。但是这些疲劳裂纹扩展区域存在一个相似点，就是区

14、域中都会存在一个相同的几何形状-半椭圆形，这一形状的圆心点通常处在沟槽的附近，能够看出这一位置的应力集中要比其他位置严重。2 .试验与分析2.1 化学成分分析通过选择齿轮的中间部位进行取样分析，将齿轮表面渗碳等加工工艺参数影响忽略不计，通过化学分析得到表1。表1齿轮材料化学成分0.220.60.M0.018().WUOM0.560.430.12通过得到的检测结果能够看出受损的齿轮箱化学成分同生产厂家提供的标准相似，属于接近国标GBT30771999中牌号20CrNiMO的合金结构钢。但是在化学成分上还是存在一些差异，取样试验的材料中Mo的含量要比国标的含量高出0.2%-0.3%,成分高出规范的

15、允许偏差值。M。元素在材料中的作用主要是将钢的淬透性有效地提高，同时将火脆性降低,材料使用过程中能够实现二次硬化,能够获得较好的渗碳效果和将齿面硬度明显提高。2.2 金相分析采取金相分析这种方法同化学成分分析方法具有相同的步骤，对于取得的试验首先进行机械加工和磨削工作，接着进行化学侵蚀步骤，通过金相显微镜得到金相图，具体情况见图2。能够看出取样的材料选择的合金钢组织形式为回马氏体组织，根据不同截面金相图的对比能够看出显微组织下基本都是相同的，这就表示受损的齿轮力学性能具有向同性。通过采取扫描电镜的方式分析非金属夹杂物，能够看出夹杂物造成的母材损失主要体现在以下几个方面，夹杂物的硬度、密度以及几

16、何尺寸大小等几个方面。受损齿轮的夹杂物形状多为多边形和球状，尺寸的大小通常在2um左右，夹杂物中心的颜色呈现出较深的黑色，边缘呈现出较浅的灰色。在对脆性氧化物夹杂进行分析时，因为其弹性的模量比基体要大，所以在进行塑性加工工作时不能出现形变，因此容易出现应力集中的现象，故而成为裂纹比较容易产生的地方。但是要有效的处理这一问题就需要通过塑性比较好的硫化物对其进行包裹，只有这样才能有效的降低这一问题的出现。但是对该材料的疲劳性能的改善，却没有非常合适的办法。因为该硬质夹杂物是在软基体内部的，所以在外力的作用下会出现脱粘而出现裂纹，严重者会出现断裂现象。图2齿轮材料金相图片2.3 硬度检测与分析在对齿轮的硬度进行检验的时候通常会使用维氏的硬度计，并且在选择试验材料的时候还要选择齿轮齿尖附近的材料，通常材料加工工艺的影响都是由齿面的硬度来进行反应的，但是齿轮材料的实际硬度值通常是