風電機組傳動系統維護與故障診斷的研究

張陸云

（五凌電力湖南分公司 湖南長沙 410000）

1 引言

風力發電的原理，是將風能轉化為動能，其主要通過主軸——齒箱傳動裝置。傳統系統的故障會影響到發電效率和電能質量，必須采取維護措施和故障診斷，針對齒輪箱和主軸軸承的維護診斷，此外還應當特別制定相應的維修診斷計劃，加強對傳動系統監視管理。

2 風機傳動系統主要結構及部件

風電機組傳動系統則是將風輪所吸收的風能，以機械能的方式傳送至發電機的中間裝置，其結構主要包括主軸、軸承、齒輪箱、聯軸器以及高速軸等。關鍵部件具體如下：

（1）主軸

主軸通常還分為低速軸與高速軸，其中，低速軸用于連接風輪、齒輪箱的低速輸入端，而高速軸則用于連接齒輪箱的輸出端以及發電機轉子，從而實現風輪與發電機之間的能量傳遞。主軸除了需要承受來自于風輪的氣動載荷、自重載荷以及軸承、齒輪箱反作用力以外，還需要承受傳遞鏈扭轉振動和瞬態載荷。

（2）齒輪箱

大型風電機組的風輪轉速通常為1220r/min，發電機轉子的轉速要求則大約為1500r/min，葉輪的轉速與發電機轉速則相差70多倍。在風輪與發電機之間，需要利用具有大增速比的齒輪箱，用以提升轉速。風機的齒輪箱作為傳動系統關鍵部件，其運行載荷、轉速波動性較大，相較于其他設備齒輪箱的運行環境較為惡劣，因而容易引發故障。齒輪箱有多個種類，如果按照傳動形式來分，大致能分為平行軸定軸傳動、行星傳動以及組合傳動；如果按照傳動級數，則可分為單級、多級齒輪箱。一些大型的風電機組增速較大，通常適宜采用行星、平行軸相互組合的齒輪實現傳動。

（3）主軸軸承

風機傳動系統中，主軸需要由軸承（見圖1）來支撐，然后通過軸承座，將風輪作用力傳遞至地盤。主軸軸承一般采用的是滾動軸承，這樣可以在承受較大徑向、軸向載荷的同時，有效降低風輪與齒輪箱之間，在相對運動過程中出現的摩擦阻力。

3 風電機組傳動機構常見故障診斷

3.1 主軸與軸承故障診斷

風電機組的主軸主要是用于連接風輪與齒輪箱，由于其原材料存在缺陷，或這在制造過程中未能消除應力集中問題，就會導致軸的不對中、不平衡問題，即軸的中心線與軸承中心線發生傾斜或偏移。在轉速一定的情況下，相位相對穩定，轉子的軸心軌跡應當呈雙環橢圓，根據振動信號的變化，即可及時發現此類故障。軸的不平衡則是由偏心質量、偏心距所引起的離心力造成，振動的幅度會隨著轉速的增加而增大。

圖1 主軸滾子軸承

傳動系統的所有零部件里，軸承是最薄弱的環節之一，軸承工作部位不同、潤滑條件不同，發生失效的形式和原因不同。行星架軸承失效的原因主要是當出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動，如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸承會造成沖擊。行星輪軸承失效的原因主要是軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足，或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，出現外圈磨損。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現滑傷和微剝落的損傷，從而導致高速軸軸承的失效。

3.2 滾動軸承故障診斷

支撐主軸的關鍵部件就是滾動軸承。處于變化載荷的情況下，風電機組主軸的軸向位移，可能導致滾動軸承滾子發生磨損，形成故障。滾動軸承故障類型通常包括軸承內圈、外圈或滾動體點蝕以及疲勞剝落等問題。滾動軸承故障會導致軸承的運行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設備的溫度、出現振動信號異常等，并造成旋轉精度的降低。一般來說，故障情況下，軸承的不同部件振動特性頻率計算如下：

滾動軸承內圈故障特性頻率：

滾動軸承外圈故障特性頻率：

滾動軸承滾動體故障特性頻率：

式中：d為滾動體直徑；D為軸承節徑；z為滾動體個數；a為接觸角；fi為內圈旋轉頻率。

3.3 齒輪故障診斷

3.3.1 齒輪故障類別

①斷齒：齒輪中齒面會持續承受交變載荷，在齒根部位往往會出現應力集中現象，從而在齒根位置產生裂紋發生斷齒；②齒面膠合：在重載及高速運行中，齒輪潤滑度不夠，出現油膜斷裂狀況，相嚙合的齒面在壓力及摩擦作用下發熱升溫，導致嚙合面局部熔焊，發生齒面膠合；③齒面點蝕：齒面同樣在交變載荷作用下，因受力不均會在齒面呈現麻點形狀，此種現象就是“點蝕”；④齒面磨損：在齒輪傳動過程中，因潤滑油供給不足或潤滑油不夠干凈，殘留在齒輪嚙合面處的金屬氧化物、微粒及其它雜質會隨著齒輪的傳動，不斷聚集，當潤滑油中含有直徑超過30pm的微粒時，會令齒輪齒面出現磨料損耗，這就是齒面磨損。

3.3.2 潤滑油、冷卻液出現異常

如果表現為潤滑油、冷卻液消耗較快，則是齒輪箱某個部位出現滲漏，此時要對齒輪箱進行仔細觀察，找出滲漏點加以修補；如果表現為潤滑油變質比正常時間要快，則是與齒輪箱溫度過高有關，此時應從冷卻系統入手進行診斷，也有可能因為齒輪箱中的傳動部件發生磨損，使潤滑油中的金屬顆粒增多從而導致潤滑油變質，此時應檢查齒輪箱中的易損部件，必要時進行更換。

3.3.3 齒輪箱振動異常

主要表現為在設備運行過程中振動劇烈，或在運轉過程中突然緊急制動等，此種情況的產生主要是齒輪軸的不平衡量超過規定范圍，或是齒輪軸受到過大的瞬時沖擊載荷作用，產生彎曲變形，也可能是齒輪軸在裝配時對中不夠精確，使齒輪軸長期在較大偏載工況下工作，由疲勞作用產生變形而導致，所以在診斷時需要借助對中儀、偏心儀等設備對齒輪軸進行分析，從而找準原因，對齒輪軸進行位置調整或進行部件更換。

4 風電機組傳動系統的日常維護

4.1 主軸軸承的日常維護及保養

在日常運維中，常采用聽、摸、看的檢查方法，同時要了解軸承在生產、運轉過程中的原理和保養維護常識。在日常巡檢工作中，要做到以下幾點：

①聽，利用聽針等工具，對設備運轉中的卡澀現象、有無雜音、運轉是否平穩等進行檢測；②摸，可用測溫儀測溫度，也可用手摸軸承的外殼溫度，是否在可控量程技術規范數值要求內；③看，潤滑油位的高度、油色及粘度，檢查加油記錄時間，油品，油脂添加的量及每臺設備軸承用油的型號規格是否正確；④此外，還要對軸承鏈接面進行清理，保證干凈，沒有雜物，軸承支座需要加固緊固，不能前后出現錯位。

在風力發電的過程中，應當加強對發電現場的監管，以確保設備的安全運行，降低故障發生概率。可根據現場監測，對易發生故障部位和已發生故障部位原因、結果進行統計分析和處理，從而制定合理的故障管理和診斷方案，同時確保其在設備選型和風資源的評估中起到積極的作用。

4.2 齒輪箱的維護與保養

齒輪箱時重要零件之一，當其長期處于運作的狀態下，或未能及時采取保養措施的情況下，容易出現故障。所以，應當定期對齒輪箱進行必要的檢測、維護與保養，以延長其使用壽命，盡可能降低故障的發生概率。

對齒輪箱的日常檢查，應當包括以下方面：檢查齒輪箱在運行過程中，是否會出現異常噪音；油位是否合適，是否有泄漏的問題；明確齒輪箱中泄漏和油量不夠等問題，并及時控制并補油。如果不存在漏油問題，還需要對定期齒輪箱的濾清帽進行清理和沖洗。檢查設備彈性支撐的使用情況，防止其出現破損或老化，必須及時進行維修或者更換。防止齒輪箱出現長期停轉狀態，必須確保其運行才能延長其使用時間，提高其工作效率。

5 結語

傳動系統的維護是風電機組維護中的重要環節，傳動系統是否正常關系著風電場能否正常運行并產生經濟效益，除對傳動系統進行日常維護外，還需要注意對其定期的檢修和巡查，尤其加強對齒輪箱、軸承等重要部件的檢查，建立規范的日常維護和定期檢修制度。針對自然條件較差，如多雨、多雷電、風場含沙量大、風向不穩定等區域，要注意對軸承的振動情況和潤滑油液情況進行在線監測，及時對異常數據進行分析，準確排除故障。

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