風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸高溫故障分析及改進(jìn)

上海之恒新能源有限公司 上海 200000

1 齒輪箱高速軸高溫故障現(xiàn)狀

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈上的關(guān)鍵一環(huán),其可靠性的高低決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否穩(wěn)定發(fā)電。在日常工作中,需要從根本上降低齒輪箱的故障率,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)維修。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障中,齒輪箱故障占15%～20%。可見,齒輪箱是一個(gè)高價(jià)值、高故障率的核心部件。在齒輪箱故障中,軸承高溫故障占比約48%,研究解決齒輪箱的高溫問題迫在眉睫。

基于2016年1月至2017年8月風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障數(shù)據(jù),得到2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障數(shù)量最高,占比為80%。

目標(biāo)廠家齒輪箱高速軸高溫故障在齒輪箱故障中的占比約48%,如圖1所示,且供應(yīng)商配合度較高,因此選擇目標(biāo)廠家2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱作為改進(jìn)對(duì)象。

圖1 目標(biāo)廠家2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障分布

2 改進(jìn)目標(biāo)

目標(biāo)廠家2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸高溫故障平均每臺(tái)每月發(fā)生1.75次,每次故障停機(jī)時(shí)間約10.9 min。對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),目標(biāo)為一年內(nèi)使齒輪箱高速軸高溫故障發(fā)生率下降50%。

3 故障原因分析

基于可靠性與6σ思想,運(yùn)用故障樹方法對(duì)目標(biāo)廠家2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸高溫故障進(jìn)行原因分析。確定頂事件為主控制系統(tǒng)報(bào)齒輪箱高速軸溫度高于95℃,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)。故障樹方法中,外邊界決定了分析的廣度,內(nèi)邊界決定了研究的深度。通過對(duì)故障機(jī)制進(jìn)行深入分析,明確各影響因素之間的關(guān)系,形成故障樹。

針對(duì)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸高溫故障,對(duì)熱量的來(lái)源進(jìn)行了分析。齒輪箱高速軸溫度影響因素作用關(guān)系如圖2所示。軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生摩擦,導(dǎo)致滾珠軸承發(fā)熱。溫控閥失效,導(dǎo)致熱量不能及時(shí)散出,且不能及時(shí)進(jìn)行熱交換,進(jìn)而引起高溫故障。齒輪箱高速軸高溫故障樹如圖3所示。

圖2 齒輪箱高速軸影響因素作用關(guān)系

通過簡(jiǎn)化故障樹、建立故障樹數(shù)學(xué)模型和求最小割集的方法,進(jìn)行故障樹定性分析,通過計(jì)算頂事件概率、重要度分析和靈敏度分析,進(jìn)行故障樹定量分析。在定性分析和定量分析的基礎(chǔ)上,識(shí)別設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié),采取相應(yīng)措施。

對(duì)溫控閥失效底事件進(jìn)行深入分析,溫控閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)潤(rùn)滑油溫度低于45 ℃時(shí),冷油路和熱油路通。當(dāng)潤(rùn)滑油溫度為45～60 ℃時(shí),冷油路通,熱油路閉。當(dāng)潤(rùn)滑油溫度高于60 ℃時(shí),冷油路閉,熱油路通。

溫控閥正常可往復(fù)運(yùn)動(dòng)3萬(wàn)次,在使用一定年限后,中溫包密封介質(zhì)失效,造成無(wú)法在潤(rùn)滑油溫度變化后切換油路,即無(wú)法對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻,進(jìn)而導(dǎo)致高速軸高溫故障。油液清潔度差、濾芯堵塞會(huì)增大溫控閥觸發(fā)頻率,加速溫控閥失效。外界環(huán)境風(fēng)沙較大,散熱板表面積灰嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致散熱能力下降,使溫控閥動(dòng)作次數(shù)增加,同樣會(huì)引起溫控閥過早失效。分析表明,溫控閥失效的主要原因并非質(zhì)量問題,而是因?yàn)榻咏O(shè)計(jì)使用壽命。基于風(fēng)電場(chǎng)使用條件,將溫控閥定性為易損件。

對(duì)噴油孔堵塞底事件進(jìn)行深入分析,原因包括兩方面:噴油孔設(shè)計(jì)過小,潤(rùn)滑系統(tǒng)中濾芯使用的單向閥存在脫落堵塞油孔現(xiàn)象。

圖4 溫控閥結(jié)構(gòu)

4 改進(jìn)措施

根據(jù)故障樹分析得到的底事件分類,制訂相應(yīng)的改進(jìn)措施。從耗費(fèi)時(shí)間、實(shí)施成本、可執(zhí)行性、底事件最小割集階數(shù)、底事件出現(xiàn)頻次、底事件實(shí)際發(fā)生頻次、改進(jìn)空間等七個(gè)維度對(duì)改進(jìn)措施評(píng)分決策分別進(jìn)行評(píng)分,形成改進(jìn)措施決策表,見表1,并重點(diǎn)實(shí)施總分最高的底事件改進(jìn)措施。

表1 改進(jìn)措施決策表

針對(duì)評(píng)分較高的主控設(shè)置及策略、溫控閥失效、噴油孔堵塞、冷卻器結(jié)垢堵塞進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。對(duì)于主控設(shè)置及策略,修改相關(guān)控制參數(shù)和控制邏輯,齒輪箱潤(rùn)滑油加熱器啟動(dòng)油溫值設(shè)置為15 ℃,齒輪箱潤(rùn)滑油泵低速潤(rùn)滑模式啟動(dòng)油溫值設(shè)置為10 ℃,刪除齒輪箱潤(rùn)滑油泵低速和高速潤(rùn)滑模式啟動(dòng)最低風(fēng)輪速度值、齒輪箱潤(rùn)滑油泵電機(jī)加熱帶停止加熱和啟動(dòng)加熱油溫值。此外,對(duì)于對(duì)齒輪箱無(wú)影響的參數(shù),保持原設(shè)置值,具體包括齒輪箱高速軸風(fēng)輪側(cè)軸承溫度最高值95 ℃、齒輪箱高速軸電機(jī)側(cè)軸承溫度最高值95 ℃、齒輪箱冷卻水溫度最高值55 ℃、齒輪箱潤(rùn)滑油溫度最高值75 ℃、齒輪箱入口油溫最高值70 ℃。

對(duì)于溫控閥失效,目前2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱所使用的石蠟式溫控閥,使用壽命為30 000次左右,之后會(huì)有石蠟泄漏引起失效的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)此提出以下改進(jìn)措施:① 優(yōu)化溫控閥位置,便于進(jìn)行更換;② 開發(fā)壓力隨動(dòng)閥代替現(xiàn)有溫控閥,壓力隨動(dòng)閥的機(jī)械彈簧設(shè)計(jì)壽命為100萬(wàn)次;③ 有條件的風(fēng)電場(chǎng)增加離線過濾器,去除潤(rùn)滑油顆粒物、氧化產(chǎn)物,保證油品質(zhì)量。

對(duì)于噴油孔堵塞,目前噴油孔尺寸為2-φ3 mm,設(shè)計(jì)尺寸更改為2-φ3.5 mm。與此同時(shí),在噴油板中開孔,提高回油散熱的效率。使用錐面密封單向閥,在濾筒底部增加過濾網(wǎng),這樣可以防止異物進(jìn)入潤(rùn)滑油路。

對(duì)于冷卻器結(jié)垢堵塞,增加定期維護(hù),防止冷卻器被柳絮、楊絮、蘆葦絮、灰塵等堵塞,避免影響冷卻效果。增加清掃裝置定期清掃,保證散熱效果。此外,可以研究專用清洗劑,用高壓槍清洗冷卻器內(nèi)的結(jié)垢。

改進(jìn)后,主控制系統(tǒng)邏輯如圖5所示,噴油孔尺寸更改及噴油板開孔如圖6所示,濾筒底部增加過濾網(wǎng)如圖7所示,冷卻器定期維護(hù)前后對(duì)比如圖8所示。

圖5 改進(jìn)后主控制系統(tǒng)邏輯

圖6 噴油孔尺寸更改及噴油板開孔

圖7 濾筒底部增加過濾網(wǎng)

圖8 冷卻器定期維護(hù)前后對(duì)比

5 改進(jìn)效果

2018年3月至6月,風(fēng)電場(chǎng)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱共發(fā)生高速軸高溫故障477次,機(jī)組數(shù)為67臺(tái),齒輪箱高速軸高溫故障平均每臺(tái)每月發(fā)生1.78次。改進(jìn)措施實(shí)施后,2019年3月至6月,風(fēng)電場(chǎng)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱共發(fā)生高速軸高溫故障201次,平均每臺(tái)每月發(fā)生0.75次。齒輪箱高速軸高溫故障發(fā)生率下降57.9%,實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)目標(biāo)。

以上網(wǎng)電價(jià)0.5元/kW、單次故障停機(jī)時(shí)間10.9 min計(jì),改進(jìn)措施實(shí)施后,1 a可減少電量成本損失超150 000元。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸高溫故障,應(yīng)用故障樹分析方法,分析了故障原因,并提出了改進(jìn)措施。通過實(shí)施改進(jìn)措施,減少了齒輪箱高速軸高溫故障的發(fā)生次數(shù),降低了故障發(fā)生率。在分析與改善的過程中,應(yīng)用了可靠性與6σ思想,為解決類似故障、提高電力系統(tǒng)可靠性提供了借鑒。