風(fēng)電齒輪箱故障診斷實(shí)例分析

肖洪波， 劉松松

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)風(fēng)電有限公司，沈陽110869）

風(fēng)電齒輪箱故障診斷實(shí)例分析

肖洪波， 劉松松

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)風(fēng)電有限公司，沈陽110869）

介紹了以齒輪箱振動分析為主要手段的風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法，并通過齒面接觸磨損分析和齒輪箱潤滑油液分析等輔助手段，對風(fēng)電齒輪箱的故障點(diǎn)進(jìn)行分析診斷。并以某風(fēng)電廠某臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱故障診斷為例，對風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法進(jìn)行實(shí)例分析。

風(fēng)電齒輪箱；振動分析；故障診斷

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多安裝在環(huán)境惡劣的高山、荒野、海灘等風(fēng)資源較優(yōu)地區(qū)，常年經(jīng)受無規(guī)律的變負(fù)荷變向風(fēng)力作用、陣風(fēng)的沖擊，以及嚴(yán)寒酷暑、鹽霧等的影響，致使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)故障。

風(fēng)電機(jī)組的常見故障類型包括電氣系統(tǒng)故障、傳感器和葉片/變槳裝置故障、齒輪箱故障等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國風(fēng)場齒輪箱損壞率高達(dá)40%～50%，是機(jī)組中故障率最高的部件，也是引起風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的最主要原因［1］，因此，在齒輪箱故障早期進(jìn)行齒輪箱狀態(tài)檢測，并以此進(jìn)行故障診斷和分析，可以在早期對故障進(jìn)行有效診斷，有利于減少維修時(shí)間和降低由于齒輪箱故障引起的經(jīng)濟(jì)損失，對提高風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益和安全性具有重大意義。

1 齒輪箱故障診斷的一般方法

以機(jī)械故障診斷的測試手段來分類，主要的故障診斷方法有直接觀察法、振動和噪聲檢測法、無損檢測法、磨損殘余物檢測法、機(jī)械性能參數(shù)檢測法等。其中最常用的是振動檢測法［2］。我們在實(shí)例分析齒輪箱故障時(shí)使用的齒輪箱故障診斷方法是以振動檢測為主，輔助以直接觀察法和磨損殘余物檢測法。

1.1 齒輪箱故障分析內(nèi)容

一般情況下，對齒輪箱故障分析主要從以下幾個(gè)方面開展：1）振動分析；2）齒面接觸磨損分析；3）齒輪箱潤滑油液分析。

1.2 齒輪箱振動檢測點(diǎn)布置

在風(fēng)電場現(xiàn)場對齒輪箱進(jìn)行故障診斷時(shí)，通常按圖1位置布置高速采集振動傳感器。

圖1 振動傳感器布置圖

2 實(shí)例分析

以某風(fēng)電場某臺風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱故障診斷為例，介紹風(fēng)電齒輪箱的故障診斷方法。

2.1 振動分析

2.1.1 振動測點(diǎn)分布與安裝

依據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝高速采集測點(diǎn)的傳感器。具體安裝位置見圖2。

2.1.2 振動數(shù)據(jù)分析

表1為現(xiàn)場高速采集的各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)的加速度有效值和峭度指標(biāo)。黑色字體數(shù)據(jù)為正常指標(biāo)，灰色字體數(shù)為不正常指標(biāo)。從表上的數(shù)值來看，一級齒圈徑向沒有問題，其他測點(diǎn)紅色指標(biāo)過多，需要進(jìn)一步分析排除。

表1 振動檢測數(shù)據(jù)

扭矩臂軸向、高速軸徑向和發(fā)電機(jī)驅(qū)動端徑向在100 r/min下的峭度均超標(biāo)（＞3.5）。而從時(shí)域波形可以觀察到三者之間具有非常明顯的“節(jié)律”同步性，由于3個(gè)測點(diǎn)跨距較大，相互影響可能性小，因此可以判定這種同步性是由相同的外部因素造成的，造成這種沖擊變動的原因就是變化的風(fēng)載。而扭矩臂軸向和高速軸徑向的峭度要大很多的原因是在其時(shí)域曲線上可以看到異常的突發(fā)性的短時(shí)沖擊，在剔除這些陣風(fēng)造成的沖擊點(diǎn)數(shù)據(jù)后，三者峭度值基本相同，如圖3所示。

圖3 振動數(shù)據(jù)

圖4 100 r/min扭矩臂軸向和高速軸徑向振動

如圖4所示，扭矩臂軸向和高速軸徑向在55 s左右受陣風(fēng)影響振動值偏大，而峭度對沖擊性十分敏感，因此，這兩個(gè)點(diǎn)的峭度值比較大，在剔除這些沖擊點(diǎn)后的正常振動部分峭度與發(fā)電機(jī)峭度基本相同，因此，100 r/min的幾個(gè)異常參數(shù)并非齒輪箱本身的故障異常所致。

如圖5，發(fā)電機(jī)驅(qū)動端軸向在1 200 r/min峭度大，從時(shí)域波形來看，也是單一大幅值沖擊所造成，如果是驅(qū)動端軸承自身出現(xiàn)故障，在100s的時(shí)間內(nèi)必然會重復(fù)出現(xiàn)沖擊波形，而不是如上圖所示的只有一次沖擊，又峭度對沖擊異常敏感，故而僅此一次沖擊就可導(dǎo)致整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的峭度值增大許多倍。經(jīng)過計(jì)算，剔除該外部沖擊，取后80 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行峭度計(jì)算，其值只有3.060 4，峭度值正常。

圖5 1 200 r/min發(fā)電機(jī)驅(qū)動端軸向振動

通過前面的分析，可知：扭矩臂處振動受風(fēng)載影響較大，不是該齒輪箱振動超標(biāo)的根源；發(fā)電機(jī)和齒圈測點(diǎn)基本屬于正常范圍，基本排除其為噪聲源的可能；主要的問題集中在高速軸的徑向和軸向振動。

圖6 高速軸徑向與軸向的速度頻譜

圖6為高速軸的徑向和軸向振動的頻譜分析。圖6依次為1 000 r/min、1 200 r/min高速軸徑向與軸向的速度頻譜。根據(jù)所得到的頻譜可以得出以下結(jié)論：

1）高速軸徑向振動中，高速軸轉(zhuǎn)頻分量是最主要的分量，其他分量幅值相對較小，且加載后的高速軸1倍頻率分量增加量比其2倍頻分量的增加量要高得多，即1000r/min頻譜一倍頻（16.61 Hz）幅值與其2倍頻（33.7 Hz）幅值的比值約為2，而1 200 r/min頻譜一倍頻（20.09 Hz）幅值與其2倍頻（40.53 Hz）幅值的比值約為6，說明轉(zhuǎn)速與載荷對高速軸徑向的影響主要針對的是高速軸轉(zhuǎn)頻的1倍頻分量，其他分量的影響較小；

2）高速軸軸向振動中，除高速軸轉(zhuǎn)頻分量外，另有頻率約為10倍和18倍高速軸轉(zhuǎn)頻的分量，即1 000 r/min頻譜中的171.5 Hz和309 Hz，及1 200 r/min頻譜中的209 Hz和370.7 Hz分量。通過幅值觀察可看到，增加載荷沒有對1倍高速軸轉(zhuǎn)頻分量產(chǎn)生明顯影響，幅值變化不大，而10倍頻率分量幅值增大66%，18倍頻率分量幅值減小了26%，且10倍頻率分量附近的幾個(gè)峰值也顯著增大。根據(jù)齒輪箱各部件的特征頻率可知，這兩個(gè)較大的分量是高速軸軸承的故障頻率分量。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下時(shí)域振動幅值曲線

3）如圖7所示，分別為高速軸徑向振動在500 r/min、1000r/min和1 200 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的時(shí)域振動幅值曲線，可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，徑向振動的偏向性越來越大，振動幅值區(qū)間由開始的［-3，4］到［-30，60］到［-50，450］，說明振動具有向正向偏移的傾向，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)與高速軸軸承故障有關(guān)。

2.1.3 振動分析小結(jié)

初步判斷結(jié)果為高速軸推力軸承故障導(dǎo)致軸承間隙增大，由于間隙的增大導(dǎo)致徑向方向振動幅值增大，同時(shí)軸承可提供的軸向反力減小，在三級齒輪軸向力的作用下使得高速軸受到的合力增大，從而導(dǎo)致軸向振動嚴(yán)重超標(biāo)，噪聲增大。

2.2 齒面接觸及磨損情況分析

通過檢查內(nèi)齒圈和行星輪、一級平行軸齒輪、二級平行軸齒輪的齒面接觸長度和磨損情況，均未發(fā)現(xiàn)偏載、斷齒、點(diǎn)蝕和磨損的現(xiàn)象。從而可以判斷齒面接觸正常。

2.3 齒輪箱潤滑油液分析

采集齒輪箱潤滑油樣本，進(jìn)行油樣分析，結(jié)果顯示油品中磨損顆粒超標(biāo)，主要為層狀磨損。

2.4 診斷結(jié)論

1）通過使用振動測試儀器對扭矩臂、內(nèi)齒圈、高速軸徑向與軸向、發(fā)電機(jī)驅(qū)動端等部位的測量，確定噪聲及振動來源于高速軸側(cè)，高速軸軸承故障是這臺齒輪箱噪聲產(chǎn)生的主要原因。

2）經(jīng)過各級齒面接觸和磨損檢查，確定齒輪嚙合正常。

3）通過齒輪箱潤滑油液的分析，油品中磨損顆粒超標(biāo)，主要為層狀磨損。

2.5 處理方案

根據(jù)VDI3834標(biāo)準(zhǔn)，高速軸振動指標(biāo)已超過停機(jī)極限，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將對軸承、齒輪造成損害，建議檢查高速軸軸承。

圖8 高速軸軸承損傷

圖9 齒輪箱修復(fù)前后高速軸振動頻譜

2.6 檢修驗(yàn)證

齒輪箱經(jīng)解體檢查，發(fā)現(xiàn)高速軸2個(gè)圓錐滾子軸承的滾子表面及軸承內(nèi)環(huán)出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕剝落，如圖8所示。

更換新軸承后齒輪箱運(yùn)行正常，對比修復(fù)前后最大負(fù)荷工況高速軸頻譜圖，如圖9所示，修復(fù)前表征高速軸軸承的故障頻率分量10倍轉(zhuǎn)頻（209.1 Hz）和18倍轉(zhuǎn)頻（368.9 Hz），在修復(fù)之后的頻譜圖中消失。修復(fù)之后的頻譜圖中，高速軸轉(zhuǎn)頻是最主要的分量。

3 結(jié)論

由于風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行條件的復(fù)雜性，所以單憑一種診斷方法要準(zhǔn)確評估齒輪箱的故障情況非常困難，根據(jù)齒輪箱故障診斷的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，這種集成目視檢查、內(nèi)窺鏡檢查、振動分析和油品分析等綜合診斷方法可以有效地診斷齒輪箱的故障，為風(fēng)電齒輪箱檢修提高了技術(shù)保障。

［1］ 彭華東，陳曉清，任明，等.風(fēng)電機(jī)組故障智能診斷技術(shù)及系統(tǒng)研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（2）：61-66.

［2］ 武姣，姚肖方.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法及信號仿真［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（4）：6-8.

（編輯：畢 勝）

TH 132.41

A

1002－2333（2014）04－0152－04

肖洪波（1980—），女，工學(xué)碩士，工程師，主要從事風(fēng)電齒輪箱研制等。

2014-01-15