海裝3.xMW風(fēng)機齒輪箱液壓彈性支撐故障研究及改進措施

摘要：風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔永續(xù)的能源利用方式，無燃料成本，發(fā)電成本低。目前，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中最具有潛能的一個發(fā)展方向，為了節(jié)約土地，國家要求開發(fā)企業(yè)安裝大功率風(fēng)力發(fā)電機。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機受制于永磁體制作工藝復(fù)雜，體積大，防護等級低，運行年久后存在消磁現(xiàn)象，且大功率永磁同步發(fā)電機存在公路運輸難度大等問題，各風(fēng)機制造商逐漸向半直驅(qū)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機方向發(fā)展。現(xiàn)就主要針對海裝3.xMW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱液壓彈性支撐故障問題進行分析并提出改進措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;海裝3.xMW風(fēng)機;彈性支撐;改進措施

液壓式齒輪箱彈性支撐主要用于主傳動鏈四點支撐系統(tǒng)中，在保證低約束剛度的同時，降低齒輪箱的結(jié)構(gòu)噪音，可獲得更高的扭轉(zhuǎn)剛度，承載更大的扭轉(zhuǎn)載荷，并且其扭轉(zhuǎn)剛度還可根據(jù)風(fēng)機機型大小和承載要求進行相應(yīng)調(diào)整，從而大大拓寬了該種減振的應(yīng)用范圍。

橡膠墊是齒輪箱彈性支撐中最重要的部分，也是薄弱環(huán)節(jié)，起著吸收齒輪箱各種沖擊，衰減及吸收齒輪箱振動載荷及噪聲的功能。3.xMW齒輪箱彈性支撐是通過高壓軟管交叉相連，通過防凍液與橡膠墊的聯(lián)合作用的液體復(fù)合彈簧總成。

一、齒輪箱彈性支撐主要組成及工作機理

1、主要組成部件

液壓式齒輪箱彈性支撐主要由缸體、橡膠墊、復(fù)合彈簧、連接管路、防凍液等部分組成。

2、液壓彈性支撐工作機理

3.xMW機組齒輪箱液壓彈性支撐安裝于齒輪箱兩側(cè)的扭轉(zhuǎn)臂上，主要承受齒輪箱的扭轉(zhuǎn)載荷，齒輪箱兩側(cè)的液體復(fù)合彈簧通過高壓軟管交叉相連，通過防凍液與橡膠體的聯(lián)合作用來吸收齒輪箱的各種沖擊，能衰減及吸收齒輪箱的振動載荷及噪聲。

雙軸承機組齒輪箱彈性支撐的安裝結(jié)構(gòu)為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，上彈性體形變 h1，對扭力臂作用力為 F1，下方彈性體形變 h2，對扭力臂作用力為 F2，安裝后兩個力大小相等。當(dāng)工作變形小于或等于預(yù)壓縮量時（h3

可得組隊后的彈性支撐剛度為K?= K1?+ K2?

結(jié)合理論分析，液壓彈性支撐的等效扭轉(zhuǎn)剛度為K=K1+K2+K3

其中， K1 為單件元件中充液后液壓腔部分的剛度

K2 為單件元件中橡膠板簧部分的剛度

K1+K2 為充液后扭轉(zhuǎn)等效剛度

K3 為組對產(chǎn)品中上橡膠部分剛度，近似未充液單橡膠件剛度

液壓彈性支撐系統(tǒng)中橡膠主簧部分貢獻的剛度相對較小（不充液時橡膠體組合剛度60kN/N.m，沖液后達到 300kN/N.m），在橡膠墊內(nèi)腔進行充液后橡膠墊扭轉(zhuǎn)剛度將主要由內(nèi)腔中被壓縮的液體提供。

圖1為彈性支撐工作狀態(tài)原理圖。

二、故障原因分析

3.xMW機組鐵科齒輪箱液壓彈性支撐橡膠墊在運行近一年時間出現(xiàn)橡膠墊裂紋、鼓包故障。主要原因有以下幾方面：

1、彈性支撐質(zhì)量問題

（1）新裝彈性支撐會經(jīng)歷一段時間的磨合期，在這段時間內(nèi)彈性支撐腔體在腔體內(nèi)部壓力和扭力臂外部壓力的共同左右下，腔體會增大一部分。此時，由于注液量一定，液壓管路壓力會適當(dāng)下降。但是，待腔體穩(wěn)定后，彈性支撐管路壓力將保持穩(wěn)定，再次補液后，可以穩(wěn)定運行。

但從鐵科新裝機彈性支撐壓降來看，初次注液前10天，58#、64#機組壓力由125bar下降到75bar，100#機組下降至65bar。下降幅度為初次注液壓力的40%-48%。此時，彈性支撐壓力在此狀態(tài)下，整體剛度已經(jīng)低于設(shè)計剛度的下限值。彈性支撐已經(jīng)開始在低剛度下運行。在注液10-20天，補液至額定壓力值后，仍然有20%左右的壓降，待到按照鐵科要求的補液時間（初次注液后三個月）補液時，橡膠墊已經(jīng)產(chǎn)生損傷。

（2）當(dāng)彈性支撐橡膠墊在初期低壓下被較長時間壓縮后，受載側(cè)橡膠墊出現(xiàn)永久變形，同側(cè)上下橡膠墊形成高度差，此高度差無法通過重新補液來消除，進而導(dǎo)致受載側(cè)橡膠墊高度越壓越低，最終出現(xiàn)裂紋、鼓包故障。

（3）彈性支撐橡膠墊的損壞主要是動態(tài)載荷下的疲勞損壞，鐵科彈性支撐橡膠墊直徑小，腔體小，但是注液壓力高，腔體變形大，壓降速度快，這會導(dǎo)致橡膠墊在齒輪箱扭力臂動態(tài)載荷作用下，抗疲勞性能較差，在較長時間運行后，橡膠墊達到疲勞極限，會在極短時間內(nèi)出現(xiàn)故障。

2、安裝維護問題

在鐵科彈性支撐安裝運行的前期，由于壓力下降過快，彈性支撐整體剛度已經(jīng)降至設(shè)計剛度下限。現(xiàn)場在機組運行半年以上才進行第一次補液，此時，彈性支撐橡膠墊已經(jīng)產(chǎn)生累積損傷。由于彈性支撐在機組運行過程中始終會壓縮受載側(cè)橡膠墊，橡膠墊在低剛度下持續(xù)被壓縮，已產(chǎn)生永久變形，補液后無法回彈至初始安裝高度。在此過程中，由于橡膠墊嚴重變形，內(nèi)部腔體膜出現(xiàn)破裂損壞，導(dǎo)致彈性支撐無法保壓。

3、機組控制問題

對于京能蘇尼特項目117#機組齒輪箱彈性支撐壓潰造成聯(lián)軸器和齒輪箱故障，對機組iBox運行數(shù)據(jù)進行分析，均存在異常頻率干擾機組正常控制。依據(jù)經(jīng)驗，該頻率由變流器帶來。該異常頻率的存在，大大增加了彈性支撐的應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)，在彈性支撐液壓低的情況下，彈性支撐橡膠墊被壓潰。

三、故障分析結(jié)論

1、鐵科對自身彈性支撐沒有系統(tǒng)的認識，試驗驗證不充分，注液后內(nèi)部腔體膨脹過大，導(dǎo)致彈性支撐短期壓降超出預(yù)期，造成彈性支撐在前期就產(chǎn)生了不可逆的損傷。

2、彈性支撐前期由于壓降過快，在低壓下運行較長時間，導(dǎo)致彈性支撐受載側(cè)橡膠墊壓縮至永久變形，同側(cè)橡膠墊形成高度差，且后期補液無法消除此高度差，導(dǎo)致彈性支撐使用壽命縮短。

3、鐵科彈性支撐橡膠墊直徑小，注液壓力高，壓降速度快，導(dǎo)致橡膠墊抗疲勞性能差，在齒輪箱扭力臂動態(tài)載荷的作用下，橡膠墊在為達到設(shè)計的循環(huán)次數(shù)時，就已經(jīng)提前失效了。

四、對于液壓彈性支撐故障的改進措施

1、對裝有鐵科齒輪箱彈性支撐的3.xMW機組，為了防止后續(xù)出現(xiàn)大規(guī)模批量問題，建議更換齒輪箱彈性支撐，備選廠家為株洲時代。

2、現(xiàn)場組織進行株洲時代齒輪箱彈性支撐橡膠墊狀態(tài)（同側(cè)橡膠墊高度差、橡膠墊是否有鼓包）進行檢查，對于出現(xiàn)鼓包的橡膠墊，立刻停機更換。

3、對于株洲時代同側(cè)橡膠墊高度差遠大于2mm的彈性支撐，觀察橡膠墊是否發(fā)生損傷。若存在單個橡膠墊高度小于137mm（或者大于等于149mm），則更換整組橡膠墊。

4、復(fù)查彈性支撐液壓系統(tǒng)壓力值并對壓力低于標準壓力下限的彈性支撐進行補液（見株洲時代彈性支撐注液溫度曲線），補液過程嚴格遵守彈性支撐注水流程和工藝。

5、對3.xMW機組iBox運行數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否存在干擾機組正常控制的頻率存在，若存在，及時處理。

6、考慮在彈性支撐上裝配壓力表（壓力傳感器），用來監(jiān)測液壓彈性支撐壓力值。

結(jié)束語：

通過對風(fēng)力發(fā)電機組液壓彈性支撐損壞故障問題分析，得出故障主要是彈性支撐自身問題引發(fā)，彈性支撐橡膠墊直徑小，注液壓力高，壓降速度快，導(dǎo)致橡膠墊抗疲勞性能差，在齒輪箱扭力臂持續(xù)動態(tài)載荷的作用下，橡膠墊在未達到設(shè)計的循環(huán)次數(shù)時，就已經(jīng)提前失效了，后期建議更換為株洲時代的同型號產(chǎn)品。

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作者簡介：王有發(fā)（1981-）男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，學(xué)歷：本科，工程師，研究方向：電力工程