風力發電機組齒輪箱軸承故障診斷探析

李珉

（國投白銀風電有限公司，甘肅 白銀 730900）

齒輪箱中軸承具有傳遞運動、扭矩以及變速等功能，一旦軸承出現故障，會嚴重影響齒輪箱的正常使用。若齒輪出現故障，其中60%的原因是由于齒輪失效引發的。現階段對齒輪箱出現的故障進行診斷時，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，齒輪箱內的組成部分，包括軸、齒輪以及軸承等零件，都會處在振動的狀態，受到振動的影響，軸承會出現點蝕情況，或者由于高溫、軸面磨損等，導致軸承無法繼續工作，嚴重影響發電機組正常的運行。

1 齒輪箱故障分析方法

齒輪箱出現故障時，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、箱體出現共振、軸承點蝕、高溫、軸面磨損以及轉軸彎曲等。通過對齒輪箱出現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下發出的信號，將齒輪箱產生的平均振動能量、時域峰值等參數作為研究對象，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進行診斷，以便確定引發齒輪箱故障的原因。采用頻譜分析方法，是將齒輪箱在振動狀態下，對齒輪的嚙合頻率、加速度信號以及外環固有頻率進行檢測，以便尋找的齒輪箱故障的引發因素。目前在對齒輪箱故障分析時，通常會在工業現場環境中進行，為獲得更加準確的故障分析數據，一般會對齒輪的征兆狀態進行檢測，并且會真實地反映出齒輪故障的位置、影響范圍以及性質等，為工作人員提供必要的參考依據，從而采用針對性的措施解決齒輪箱出現的故障。

2 風力發電機組傳動系統典型故障診斷

2.1 風力發電機組傳動系統結構診斷

目前，發電機和機械傳動系統是組成風力發電機系統重要的組成部分，并且承擔穩定發電機組正常運行的功能。而在風力發電機組內，齒輪箱、發電機以及軸承在振動狀態下，會頻繁地出現故障，尤其是軸承易出現點蝕、軸面磨損等故障，而且在高溫的環境中，會縮短齒輪的使用壽命。此外，作為風力發電機組提供動能的關鍵設備，齒輪箱、軸承以及聯軸器等零件，都會受到不同程度荷載的沖擊，在不同荷載作用下，極易導致傳動系統出現故障。

風力發電機組在運行狀態下，在傳動系統的帶動下，將風能轉換為機械能，再將機械能運輸至發電機，最后產生電能。傳動系統主要由主軸、聯軸器、高速軸等裝置組成，每個裝置結構不同，在運行狀態下軸承出現故障的位置、影響范圍以及性質也不相同。主軸是連接風輪和齒輪箱的關鍵裝置，風輪在轉動時，通過扭矩的變化將能量傳輸至齒輪箱，在齒輪箱的帶動下，產生的軸向力會作用在其他裝置上。聯軸器是兩個不同裝置相互連接的零件，聯軸器在轉動時，會帶動其他兩個裝置共同旋轉。不同運動狀態下產生的動力，需要聯軸器具備緩沖、減振等功能。聯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電機連接的裝置，高速軸保持在高速狀態，可帶動發電機高速轉動產生電能。

2.2 風力發電機組傳動機構典型故障診斷

圖1 齒輪箱、發電機測點分布圖

將風能轉換為電能，通常需要風力發電機組常年在大風等惡劣的環境中運行。在風力發電機組設計時，將最低承受溫度設置在零下20℃，但是，許多地區的最低溫度會低至零下40℃，并且風力發電機組還需要承受較強的風力，會增加機組承受的荷載，極易引發傳動系統出現故障。尤其是機械傳動裝置中，軸承會出現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，可以判定引發齒輪箱出現故障的原因。風力發電機組在運行過程中，通常會保持在較高的轉速，一旦出現故障，齒輪箱內零件會出現噪音，并且伴隨不規律的振動。在對振動信號產生的時域、頻域以及幅值進行檢測時，工作人員會得到許多故障數據，最明顯的是齒輪故障和滾動軸承故障數據，一旦風力發電機組運行速度提升，上述故障就會出現。

風力發電機組通常處在風力較大的環境中，一般在荒野、海島等惡劣的地區，而由于風力產生的荷載具有無規律特征，并且會在瞬時狀態對風力發電機組產生強大的沖擊力，會引發風力發電機組出現故障。目前，風力發電機組最高轉速，每分鐘可高達1500 轉，在長時間高速運轉過程中，齒輪箱會出現高溫發熱的情況，同時在荷載的作用下，會引發齒輪箱出現故障。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，會在根部出現裂紋，而在荷載長期的作用后，齒輪會出現斷齒情況；第二，齒輪齒面疲勞。齒輪箱在運動狀態下，受到機械力學的作用，產生的作用力會使齒輪出現相對滑動的狀態，只是齒面出現點蝕、破壞性點蝕以及表面壓碎等情況。齒輪齒面出現疲勞狀態，故障狀態表現為振動信號出現嚙合頻率、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下，此時，齒面受到高溫的影響以及壓力作用，會在齒面出現磨損等情況，并且在齒輪相對滑動的狀態下，齒面未能進行充分的潤滑，導致齒面出現膠合故障。

2.2.2 轉子不對中故障診斷

風力發電機作為大型機械設備，發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，安裝笨重的發電機組難度較大，無法保證轉子精準的對中安裝。若轉子未能保持在對中狀態，此時，發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，齒輪箱內的阻尼器會出現變形，導致轉子和軸承無法保持在對中狀態，此時，發電站機組會出現不規律振動，致使前后旋轉裝置軸心無法保持在同一條直線狀態，從而引發軸承出現故障。轉子出現不對中的故障，除了安裝難度較大以外，還由于以下原因導致的：第一，運動狀態下的轉子，會由于該變量發生的變化，導致從動轉子與主動轉子間，產生不同的動態情況；第二，承載轉子軸承座出現不同的膨脹情況；第三，機殼出現變形或者位移情況；第四，發電機所處地基出現不均勻沉降；第四，轉子出現彎曲情況，引發機組出現不平衡的旋轉情況。

2.2.3 滾動軸承故障診斷

在傳動系統中，滾動軸承是重要的裝置。滾動軸承一般由內環、外環、滾動體以及保持架構成。在發電機組內配置滾動軸承，是發揮滾動軸承具有的效率高、易于潤涵以及摩擦阻力小等優勢。但是，滾動軸承在使用過程中，會出現較大的噪音，同時，無法承受較大的沖擊力。若滾動軸承出現故障，極易引發發電機組出現大范圍的損壞情況。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，軸承內環出現剝落或者點蝕情況。使用頻譜對內環進行檢測，會出現較為明顯的諧波變化；第二，外環出現剝落或者點蝕情況。使用頻譜進行檢測，此時故障特征為無變頻、無調幅情況；第三，滾動體出現剝落或者點蝕情況時，在故障位置會出現明顯的調制峰群特征；第四，保持架出現變形或者脫落。使用頻譜進行檢測，發現保持架出現特征頻率以及諧波。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 發電機故障診斷

發電機出現故障，可分為定子繞組故障和軸承故障。出現定子繞組故障時，繞組出現破壞、磨損以及裂紋等情況，此時繞組無法提供絕緣功能。出現軸承故障時，不同部分的故障會產生不同的振動信號，以轉子不對中為例，會將這類問題歸納為偏心故障。此外，轉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，導致軸承出現故障。通常情況下，軸承會出現內外圈損壞、點蝕以及磨損等情況，而且軸承在振動狀態下，會提升出現故障的概率。

3 結語

綜上所述，風力發電機組出現故障時，需要以科學的角度判定引發風力發電系統出現故障的原因。一旦風力發電機組出現故障，工作人員應對機組內的傳統系統進行充分的分析，逐一排查系統內不同裝置存在的故障因素。但是，受到故障診斷條件的影響，只能通過理論依據以及試驗等方法，對發電機組內齒輪箱軸承出現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據。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，高效處理軸承出現的故障。