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摘 要：在風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)中，齒輪箱是重要的組成部分，而軸承是直接決定齒輪箱能否正常運轉(zhuǎn)關鍵的裝置。由于軸承長期處在滾動的狀態(tài)下，經(jīng)常會出現(xiàn)故障導致發(fā)電機組無法正常地運行，嚴重情況會損害電網(wǎng)的使用壽命。引發(fā)軸承出現(xiàn)故障的原因，主要是軸承點蝕、高溫或者軸面磨損等情況組成。本文圍繞風力發(fā)電機組齒輪箱軸承故障診斷探析展開討論，為解決齒輪軸承出現(xiàn)的故障采用的方法提供參考依據(jù)。
關鍵詞：風力發(fā)電機；齒輪箱；軸承；振動；故障診斷
齒輪箱中軸承具有傳遞運動、扭矩以及變速等功能，一旦軸承出現(xiàn)故障，會嚴重影響齒輪箱的正常使用。若齒輪出現(xiàn)故障，其中 60% 的原因是由于齒輪失效引發(fā)的。現(xiàn)階段對齒輪箱出現(xiàn)的故障進行診斷時，會采用振動法、油液分析法以及混沌診斷識別法。齒輪箱進入到運行狀態(tài)，齒輪箱內(nèi)的組成部分，包括軸、齒輪以及軸承等零件，都會處在振動的狀態(tài)，受到振動的影響，軸承會出現(xiàn)點蝕情況，或者由于高溫、軸面磨損等，導致軸承無法繼續(xù)工作，嚴重影響發(fā)電機組正常的運行。
1 齒輪箱故障分析方法
齒輪箱出現(xiàn)故障時，需要工作人員對其進行充分的分析，主要分析齒輪齒形存在的誤差、箱體出現(xiàn)共振、軸承點蝕、高溫、軸面磨損以及轉(zhuǎn)軸彎曲等。通過對齒輪箱出現(xiàn)的故障特征進行深入的了解，工作人員應按照故障分析的標準，采用加速度時域分析、頻域分析等方法，收集齒輪箱在振動狀態(tài)下發(fā)出的信號，將齒輪箱產(chǎn)生的平均振動能量、時域峰值等參數(shù)作為研究對象，判斷齒輪箱整體振動情況。采用速度時域分析方法，將平均振動能量、時域信號峰值等參數(shù)進行診斷，以便確定引發(fā)齒輪箱故障的原因。采用頻譜分析方法，是將齒輪箱在振動狀態(tài)下，對齒輪的嚙合頻率、加速度信號以及外環(huán)固有頻率進行檢測，以便尋找的齒輪箱故障的引發(fā)因素。目前在對齒輪箱故障分析時，通常會在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中進行，為獲得更加準確的故障分析數(shù)據(jù)，一般會對齒輪的征兆狀態(tài)進行檢測，并且會真實地反映出齒輪故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)等，為工作人員提供必要的參考依據(jù)，從而采用針對性的措施解決齒輪箱出現(xiàn)的故障。
2 風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)典型故障診斷
2.1 風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)結構診斷
目前，發(fā)電機和機械傳動系統(tǒng)是組成風力發(fā)電機系統(tǒng)重要的組成部分，并且承擔穩(wěn)定發(fā)電機組正常運行的功能。而在風力發(fā)電機組內(nèi)，齒輪箱、發(fā)電機以及軸承在振動狀態(tài)下，會頻繁地出現(xiàn)故障，尤其是軸承易出現(xiàn)點蝕、軸面磨損等故障，而且在高溫的環(huán)境中，會縮短齒輪的使用壽命。此外，作為風力發(fā)電機組提供動能的關鍵設備，齒輪箱、軸承以及聯(lián)軸器等零件，都會受到不同程度荷載的沖擊，在不同荷載作用下，極易導致傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
圖1 齒輪箱、發(fā)電機測點分布圖
風力發(fā)電機組在運行狀態(tài)下，在傳動系統(tǒng)的帶動下，將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能運輸至發(fā)電機，最后產(chǎn)生電能。傳動系統(tǒng)主要由主軸、聯(lián)軸器、高速軸等裝置組成，每個裝置結構不同，在運行狀態(tài)下軸承出現(xiàn)故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)也不相同。主軸是連接風輪和齒輪箱的關鍵裝置，風輪在轉(zhuǎn)動時，通過扭矩的變化將能量傳輸至齒輪箱，在齒輪箱的帶動下，產(chǎn)生的軸向力會作用在其他裝置上。聯(lián)軸器是兩個不同裝置相互連接的零件，聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)動時，會帶動其他兩個裝置共同旋轉(zhuǎn)。不同運動狀態(tài)下產(chǎn)生的動力，需要聯(lián)軸器具備緩沖、減振等功能。聯(lián)軸器通常由主動軸和從動軸組成。高速軸是增速齒輪箱和發(fā)電機連接的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可帶動發(fā)電機高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。
2.2 風力發(fā)電機組傳動機構典型故障診斷
將風能轉(zhuǎn)換為電能，通常需要風力發(fā)電機組常年在大風等惡劣的環(huán)境中運行。在風力發(fā)電機組設計時，將最低承受溫度設置在零下 20℃，但是，許多地區(qū)的最低溫度會低至零下 40℃ ，并且風力發(fā)電機組還需要承受較強的風力，會增加機組承受的荷載，極易引發(fā)傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障。尤其是機械傳動裝置中，軸承會出現(xiàn)點蝕或者軸面磨損等故障，若工作人員未能及時解決故障，或者未能將出現(xiàn)故障的零件進行更換，會使故障范圍不斷擴大，最終導致風力發(fā)電機損壞。
2.2.1 齒輪箱故障診斷
齒輪、滾動軸承和軸等零件，是構成齒輪箱重要的部分，在對齒輪、滾動軸承和軸出現(xiàn)的故障進行分析時，通常借助振動信號頻率特征以及故障特征，可以判定引發(fā)齒輪箱出現(xiàn)故障的原因。風力發(fā)電機組在運行過程中，通常會保持在較高的轉(zhuǎn)速，一旦出現(xiàn)故障，齒輪箱內(nèi)零件會出現(xiàn)噪音，并且伴隨不規(guī)律的振動。在對振動信號產(chǎn)生的時域、頻域以及幅值進行檢測時，工作人員會得到許多故?數(shù)據(jù)，最明顯的是齒輪故障和滾動軸承故障數(shù)據(jù)，一旦風力發(fā)電機組運行速度提升，上述故障就會出現(xiàn)。
風力發(fā)電機組通常處在風力較大的環(huán)境中，一般在荒野、海島等惡劣的地區(qū)，而由于風力產(chǎn)生的荷載具有無規(guī)律特征，并且會在瞬時狀態(tài)對風力發(fā)電機組產(chǎn)生強大的沖擊力，會引發(fā)風力發(fā)電機組出現(xiàn)故障。目前，風力發(fā)電機組最高轉(zhuǎn)速，每分鐘可高達 1500 轉(zhuǎn)，在長時間高速運轉(zhuǎn)過程中，齒輪箱會出現(xiàn)高溫發(fā)熱的情況，同時在荷載的作用下，會引發(fā)齒輪箱出現(xiàn)故障。目前，齒輪箱常見的故障，包括局部故障和分布故障。局部故障包括齒輪損傷、彎曲疲勞等，分布故障分為齒面磨損、軸承損壞等。出現(xiàn)的故障形式包括以下幾種：第一，斷齒。齒輪受到周期性的應力作用后，會在根部出現(xiàn)裂紋，而在荷載長期的作用后，齒輪會出現(xiàn)斷齒情況；第二，齒輪齒面疲勞。齒輪箱在運動狀態(tài)下，受到機械力學的作用，產(chǎn)生的作用力會使齒輪出現(xiàn)相對滑動的狀態(tài)，只是齒面出現(xiàn)點蝕、破壞性點蝕以及表面壓碎等情況。齒輪齒面出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現(xiàn)為振動信號出現(xiàn)嚙合頻率、振動能量增大以及能量幅值增大等；第三，齒面膠合。齒輪受到高速重載的作用后，齒輪箱處在高溫的狀態(tài)下，此時，齒面受到高溫的影響以及壓力作用，會在齒面出現(xiàn)磨損等情況，并且在齒輪相對滑動的狀態(tài)下，齒面未能進行充分的潤滑，導致齒面出現(xiàn)膠合故障。
2.2.2 轉(zhuǎn)子不對中故障診斷
風力發(fā)電機作為大型機械設備，發(fā)電機組通常放置在離地面幾十米的高空中，而且受到風力的作用，安裝笨重的發(fā)電機組難度較大，無法保證轉(zhuǎn)子精準的對中安裝。若轉(zhuǎn)子未能保持在對中狀態(tài)，此時，發(fā)電機組在長期運行過程中，在風力以及運行高溫共同影響下，齒輪箱內(nèi)的阻尼器會出現(xiàn)變形，導致轉(zhuǎn)子和軸承無法保持在對中狀態(tài)，此時，發(fā)電站機組會出現(xiàn)不規(guī)律振動，致使前后旋轉(zhuǎn)裝置軸心無法保持在同一條直線狀態(tài)，從而引發(fā)軸承出現(xiàn)故障。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中的故障，除了安裝難度較大以外，還由于以下原因?qū)е碌模旱谝唬\動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子，會由于該變量發(fā)生的變化，導致從動轉(zhuǎn)子與主動轉(zhuǎn)子間，產(chǎn)生不同的動態(tài)情況；第二，承載轉(zhuǎn)子軸承座出現(xiàn)不同的膨脹情況；第三，機殼出現(xiàn)變形或者位移情況；第四，發(fā)電機所處地基出現(xiàn)不均勻沉降；第四，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲情況，引發(fā)機組出現(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)情況。
2.2.3 滾動軸承故障診斷
在傳動系統(tǒng)中，滾動軸承是重要的裝置。滾動軸承一般由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體以及保持架構成。在發(fā)電機組內(nèi)配置滾動軸承，是發(fā)揮滾動軸承具有的效率高、易于潤滑以及摩擦阻力小等優(yōu)勢。但是，滾動軸承在使用過程中，會出現(xiàn)較大的噪音，同時，無法承受較大的沖擊力。若滾動軸承出現(xiàn)故障，極易引發(fā)發(fā)電機組出現(xiàn)大范圍的損壞情況。在對滾動軸承故障進行分析時，主要故障特征分為以下幾個方面：第一，軸承內(nèi)環(huán)出現(xiàn)剝落或者點蝕情況。使用頻譜對內(nèi)環(huán)進行檢測，會出現(xiàn)較為明顯的諧波變化；第二，外環(huán)出現(xiàn)剝落或者點蝕情況。使用頻譜進行檢測，此時故障特征為無變頻、無調(diào)幅情況；第三，滾動體出現(xiàn)剝落或者點蝕情況時，在故障位置會出現(xiàn)明顯的調(diào)制峰群特征；第四，保持架出現(xiàn)變形或者脫落。使用頻譜進行檢測，發(fā)現(xiàn)保持架出現(xiàn)特征頻率以及諧波。此外，滾動軸承的故障形式分為以下幾種，分別為疲勞剝落故障、磨損故障、裂紋和斷裂故障以及壓痕故障。
2.2.4 發(fā)電機故障診斷
發(fā)電機出現(xiàn)故障，可分為定子繞組故障和軸承故障。出現(xiàn)定子繞組故障時，繞組出現(xiàn)破壞、磨損以及裂紋等情況，此時繞組無法提供絕緣功能。出現(xiàn)軸承故障時，不同部分的故障會產(chǎn)生不同的振動信號，以轉(zhuǎn)子不對中為例，會將這類問題歸納為偏心故障。此外，轉(zhuǎn)子和定子是由軸承支撐，軸承會承受較大的徑向負荷，在較大的荷載作用下，導致軸承出現(xiàn)故障。通常情況下，軸承會出現(xiàn)內(nèi)外圈損壞、點蝕以及磨損等情況，而且軸承在振動狀態(tài)下，會提升出現(xiàn)故障的概率。
3 結語
綜上所述，風力發(fā)電機組出現(xiàn)故障時，需要以科學的角度判定引發(fā)風力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因。一旦風力發(fā)電機組出現(xiàn)故障，工作人員應對機組內(nèi)的傳統(tǒng)系統(tǒng)進行充分的分析，逐一排查系統(tǒng)內(nèi)不同裝置存在的故障因素。但是，受到故障診斷條件的影響，只能通過理論依據(jù)以及試驗等方法，對發(fā)電機組內(nèi)齒輪箱軸承出現(xiàn)的故障進行模擬分析，還未能通過在線測試的方法獲得準確的數(shù)據(jù)。在對齒輪箱軸承故障進行分析時，應以復合故障診斷和混合智能故障診斷等技術，作為檢測故障的方法，有助于提升檢測效率，高效處理軸承出現(xiàn)的故障。
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