风电机组齿轮箱故障诊断和处理

2021-11-28张道全

魅力中国 2021年41期

张道全

（华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

随着十四五计划中“碳达峰，碳中和”目标的建立，风力发电作为新能源电力供应方式逐渐得到更多认可。同时，第十九次人民代表大会能源导向明确提出要构建清洁低碳、安全高效的能源体系。在此政策导向下，根据国家统计局发布《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》，2020年中国风力发电装机容量飞速提升至28153 万千瓦，同比增长34.6%，已占我国发电装机规模总量的12.79%。在装机容量的激增下，风电机组日常的运维问题将带来更多经济影响。作为风电机组传动系统的核心，齿轮箱的维护尤其重要。

一、风机齿轮箱行业现状

风电机组发电的原理是将风轮收集到的机械能，借由齿轮箱传动到发电机将其转化为电能。

在这个过程中，齿轮箱的作用是将风轮的低转速提升至发电机所需的高转速。齿轮箱是双馈风电机组传动链中最重要的部件，其设计要求体积小，重量轻，结构坚固。风机制造业中，各大企业对齿轮箱进行了深入研究和性能优化设计，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然故障频发。齿轮箱一旦发生故障，维修困难且修理时间较长，不仅更换费用昂贵，还会大幅降低当月利用小时数，造成大量经济效益的损失，甚至降低电力系统稳定性。

二、齿轮箱故障类型及成因

由于风力发电机组的选址通常在山地平原等偏远地区，整场机组运行环境相对较差，部件受损概率较高。同时现场运维人员水平参差不齐，难以做到系统化地对风机进行维护，致使随着使用年限的增加齿轮箱故障频发，尤其在出质保期以后齿轮箱工况更是难以保障，生命周期也随之缩短。

（一）齿轮故障

齿轮故障是齿轮箱故障的主要来源，在齿轮箱系统的所有故障中占比60%。造成齿轮失效的主要形式包括断裂、点蚀、胶合、塑变和磨损，失效后修复较慢，会造成较长的停机时间。齿轮箱运行过程中长时间的偏载或瞬时的严重冲击会导致齿轮的断裂。同时，齿轮箱运行过程中会从缝隙中进入灰尘等杂质，造成润滑油的污染，从而腐蚀齿轮表面造成点蚀。齿轮箱的不良工况可能导致齿轮间啮合存在偏差，产生金属微粒，与灰尘一起造成齿轮表面的磨损。

齿轮箱润滑油经常用于轴承的散热，过热的润滑油和寒冷天气的交叠可能导致齿轮产生塑变。而局部升温下的持续重载运行或齿轮油的变质对齿轮的腐蚀会导致齿轮胶合情况的发生。断齿的发生有时出现在齿轮箱生命周期前期，由于不合适的负载或齿轮箱本身的刚性问题，新更换的齿轮箱可能不符合风电机组的运行要求。点蚀和磨损常发生在齿轮箱运行一段时间后，由于灰尘或金属微粒对齿轮表面产生摩擦，使其出现损伤。胶合和塑变通常在运行较长时间后发生，在较差的工况下齿轮箱容易进入杂质污染润滑油，发生材质和刚性变化。

（二）轴承故障

轴承故障是齿轮箱故障中发生频率次高的故障类型。故障形式包括磨损、电流腐蚀、裂纹和断裂、疲劳脱落。磨损会使轴承振动增大，产生噪声，降低运转的精度。电流腐蚀是由于电流穿过轴系，击穿油膜产生电火花，对轴承进行腐蚀。裂纹和断裂通常由于材料缺陷、热处理不当或过载导致，未提前发现将造成整个齿轮箱的损坏。疲劳剥落则由于内外圈与滚动体的接触面受到交叠变化的载荷产生疲劳造成，属于生命周期后段的正常失效形式。定期对齿轮箱进行振动检测可以提前发现故障，在轴承失效前及时处理，降低经济损失。

（三）轴系故障

现场的风电机组经常出现齿轮箱主轴窜位的情况，这是由于齿轮箱进入灰尘导致的，位移量过大够可能导致轴无法对齿轮提供有效支撑。同时，轴的角度可能存在不平衡和不对中。轴上的不平衡载荷可能导致轴弯曲，随着形变量的增加，齿轮啮合不再合理，导致断齿的发生。不对中问题包括轴承与轴承座不同心和两个轴承间不同心，二者同样会导致角度上的变化，引起齿轮更大程度的位移，导致载荷过大。最后，轴还可能存在部件松动的问题，这些问题都可以用振动分析通过傅里叶变换、包络谱等方式检测出来，在出现较大损失之前及时更换。

（四）齿轮箱冷却润滑系统故障

齿轮箱冷却润滑系统的问题主要在于漏油、油压过高或过低、润滑油温度高、润滑泵噪声大和齿轮油变质等。渗漏油主要发生在各类零件的连接部位，例如箱盖与箱体的结合面，箱体与齿圈结合处，润滑系统接头处等。引起渗漏油的原因包括密封胶条选择不当密封件选择不当，管接头松动等。密封件本身可能会存在的磨损，或杂物进入油道后造成堵塞，都会引起润滑油渗漏现象。渗漏后会出现油压过低的情况，而润滑油本身温度过低或粘度过大会导致油压过高。同时在润滑油变质和渗漏的情况下，轴承与齿轮间的摩擦力将会极度增大，产生过多热量无法完全冷却，会导致油温过高的问题。冷却器功率不足和温控阀故障是入口温度高的主要原因。而在运行时间较长的风电场站，可能由于灰尘对过滤器造成阻塞，润滑油的流量较低，会导致内部油温过高。在日常机组运行过程中，需要定期对润滑油和滤芯进行更换与检查，保证润滑油的清洁程度，以保证齿轮箱良好的工况。

三、风电机组齿轮箱故障诊断方法

（一）基于振动频谱的轴故障分析

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。在齿轮箱正常工作状态中，轴振动频率通常为转频。在主轴出现动、静不平衡、力偶不平衡或悬臂转子不平衡时，基频幅值会增大，根据具体数值和相位可以判断不平衡故障类型。通常在时域上就可以清楚的看到波形的异常，以频域作为辅助也可以看到基频或倍频的能量增加。联轴器平行不对中故障可以在复频域上观测到轴向传感器测点一倍频和二倍频能量的升高，角不对中则可以观察到径向1、2、3 倍频的幅值变化。而轴承不对中则是在相位相差90 度的四个点上的轴向振动出翔1、2 倍频的能量增长。

（二）基于多元数据融合的轴承故障分析

在齿轮箱正常运行时，轴承的振动频率通常集中于基频和轴承滚动体数量的倍频。但在故障发生时，齿轮箱中的损伤点会对频率进行调制。在振动检测中通常可以先在时域波形中观察齿轮箱是否经受过较大冲击，再对其进行傅里叶变换，通过带通滤波器后，在频谱图中通找到能量较高的频率点，根据经验计算公式确定该频率是否属于外圈故障频率、内圈故障频率、滚动体故障频率、保持架故障频率之一。振动数据的采集通常使用位移传感器、速度传感器和加速度传感器，数据精度符合尼奎斯特采样定理。通过振动总值、峭度指标分析法、频谱分析法、时域波形分析法和包络解调法定位齿轮箱轴承故障。

（三）基于振幅调制的齿轮故障分析

齿轮是齿轮箱的核心部件，通过啮合来进行能量传递。在正常运行情况下，能量通常由低速轴传到高速轴。根据齿轮转速和齿数的不一致，可以判断出是主动轮还是从动轮出现故障。

当齿轮出现破裂或折断时，将会出现单倍啮合频率的多边带调制；当齿不对中时，将会以啮合频率的倍频为中心进行调制；当出现齿轮啮合间隙时，会产生小于啮合频率为主带的频率调制。

四、风电机组齿轮箱故障处理方法

齿轮箱轴系在运行状态下可能出现轴不平衡、长期偏载、瞬时冲击、异常振动等非正常工况，导致轴故障的发生。轴故障主要表现为磨损、弯曲变形和断裂。其中，轴磨损是最为常见的故障，在高速轴上较为频发，主要是由于轴与安装在轴上的轴承发生相对运动，俗称轴承“走内圈”；轴弯曲通常为长时间偏载所致，常出现在轴承驱动端；轴断裂极少出现，在高速轴在故障急停中受到冲击过大时可能发生断裂。处理方法通常由以下两种。

（一）一般处理方法

在早期发现轴磨损故障时，轴磨损程度较轻，在单侧磨损量小于0.3mm，可以采用涂镀工艺进行修复。当磨损到达一定程度，过厚的镀层容易脱落且成本昂贵，不再使用涂度工艺，选择焊补后机加工处理等方法。传统的焊补工艺热输入量大，易使轴出现变形，整轴加工精度难以达标，致使焊接热应力集中，在轴的焊接区容易再次出现故障。从提升机组可靠性的角度出发，在费用允许的情况下一般建议更换新的轴组件。

（二）激光熔覆处理技术

激光熔覆技术是处理金属件形变的主要方法之一，利用功率大、能量高的激光束瞬间放能的特点，对被加工件表面的金属进行微熔，以此方式将补充的合金粉剂添加至融合点。加热后金属快速冷却凝固，得到原件的上完全冶金结合的致密熔覆层。在齿轮箱高速轴修复中，激光熔覆处理技术存在以下优势：①瞬时放热，热输入量低，不会造成轴系形变；②不良组织少，不需要额外的热处理；③合金融合性高，与原件结合强度高。