兆瓦級雙饋機組齒輪箱高速軸軸系故障分析及預防方法

張 強,張 琦,劉志偉,張 瀛

(魯能新能源(集團)有限公司新疆分公司,新疆 烏魯木齊 830022)

兆瓦級雙饋機組齒輪箱出現斷齒、竄動、軸承高溫、軸承跑圈等問題后,需進行跑圈軸承更換、高速軸軸系更換,運維工作量大且費用較高,給老舊場站經營造成一定壓力。

為解決上述問題,本文根據高速軸軸系機械結構、潤滑系統綜合判斷故障原因,提出齒輪箱“四步”清洗、軸承孔金屬修復、安裝軸系竄動預警裝置等措施,經實踐證明,可有效改善高速軸軸系運行環境,延長高速軸軸系壽命。

1 故障分析

1.1 軸系結構分析

高速軸是齒輪箱的輸出軸,額定轉速為1 800 r/min,承受工作過程中產生的振動和巨大熱量,工況惡劣,主要依靠機械結構和潤滑結構保證運行的穩定性。

1.1.1機械結構分析

高速軸軸系機械結構精密,包括葉片側圓柱滾子軸承、電機側圓柱滾子軸承、定距環、噴油板、四點接觸球軸承、止退墊圈、圓螺母、擋油板、甩油環、高速軸等[1],如圖1所示。圓柱滾子軸承承受高速軸徑向質量載荷,四點接觸球軸承承受軸向載荷,與定距環配合負責軸向定位,噴油板負責傳導潤滑油,甩油環、擋油板與齒輪箱端蓋配合保證齒輪箱的密封性。

圖1 高速軸軸系剖面圖

1.1.2潤滑結構分析

潤滑系統主要對高速軸軸系軸承、嚙合齒進行潤滑,其結構如圖2所示。

1—油池溫度傳感器;2—潤滑泵;3—潤滑泵出口壓力傳感器;4—過濾器;5—溫控閥;6—冷卻器;7—進口壓力傳感器(集油分配器壓力傳感器);8—進口溫度傳感器(集油分配器溫度傳感器);9—集油分配器;10—高速軸前軸承油路;11—前軸承溫度傳感器;12—后軸承溫度傳感器;13—高速軸后軸承油路

潤滑系統以電機為動力源,潤滑油經過內部濾芯過濾到達集油分配器,再經油管傳導到高速軸軸系[2],其中一路油管與高速軸軸系的低速側軸承基座相連,另一路油管與高速側軸承基座相連。

1.2 軸系故障類型及分析

由于高速軸軸系可能發生各種各樣的故障,有時跑圈伴隨著竄軸、高溫伴隨著跑圈,單對某個故障進行分析略顯片面,也很難入手。本文轉換思路,結合實際運行數據,從軸系潤滑、軸承更換安裝、對中維護等高速軸軸系日常維護工作來對應分析高速軸軸系故障。

1.2.1潤滑不足的影響

潤滑油可減少軸承滾動時的摩擦阻力,并起到降溫的作用。齒輪箱的出口油壓不得大于13 bar,進口油壓不得小于0.5 bar。某場站1.5 MW機組實際運行數據見表1。

表1 高速軸軸系壓力、溫度表

觀察表中數據可知,較低油壓對應較高軸承溫度,說明潤滑不足會導致軸承高溫。持續高溫會導致軸承徑向游隙增大[3],軸承外圈受到較大的相對摩擦力而發生跑圈,同時潤滑油在高溫的作用下會黏附在軸承保持架上,減少軸承的使用壽命,如圖3所示。

圖3 軸承油污黏連

1.2.2潤滑不足的原因

結合潤滑系統的構成分析可知,軸承潤滑不足原因即是齒輪箱進、出口油壓力低的原因,相關原因共分4種情況,見表2。

表2 潤滑不足現象分析

1.2.3更換軸承安裝不良的影響

軸承與齒輪箱孔實行過盈裝配,精度達百分之一毫米[4],裝配不良會造成軸承跑圈。跑圈最大的危害是齒輪箱孔磨損。齒輪箱一般為鑄鐵材質,雖具有一定耐磨性,但與高碳含量的軸承外圈相比[5],其耐磨性能較低,更易被磨損,如圖4所示。軸承外圈磨損后更換軸承即可,但齒輪箱孔磨損后卻難以修復。

圖4 軸承孔磨損情況

1.2.4更換軸承安裝不良的原因

軸承裝配精度要求高,在實際工作中需要借助高精度儀器進行裝配。目前軸承故障的處理方式為簡單的同規格軸承更換,更換軸承后跑圈、高溫情況雖短暫消除,但未關注裝配精度,未解決齒輪箱孔磨損問題,運行一段時間后,問題依然出現。

1.2.5對中不良的影響

高速軸需要與發電機的轉子保持良好的對中,對中不良會引起高速軸齒斷齒、振動,如圖5所示。

圖5 不良對中示意圖

圖5為垂直方向不對中,在機組啟動后高速軸齒將承受過載壓力[6],長時間運行造成斷齒,并由于嚙合不良造成較強的振動,而振動會破壞圓螺母的內外螺紋,并因此引起軸向微量的相對移動及周向微量的相對轉動,進而導致圓螺母松動,造成高速軸竄動。

1.2.6對中不良的原因

按照風電機組技術監督標準,對中需依靠精準儀器,并對機組運行環境有較高要求,需要在風速小于6 m/s條件下進行[7]。然而實際工程中,現場人員有時存在“搶工期”現象,未能嚴格按上述兩項技術要求進行,形成不良的對中。

綜上所述,高速軸軸系損壞原因主要為潤滑不足、裝配精度不夠以及對中工藝不良,隨著運行年限的增加,軸系高溫情況逐年加重,進而使軸承出現跑圈現象,加重軸承運行負荷,引起較大振動,導致高速軸軸系出現斷軸、竄動。

2 維護保養措施

通過上述分析可知,保證軸系潤滑油壓、確保軸承裝配和對中精度是高速軸軸系日常維護保養的關鍵。本文針對性地提出開展齒輪箱“四步”清洗、齒輪箱孔金屬修復及安裝軸系竄動預警裝置等措施,可進一步提高高速軸軸系的使用壽命。

2.1 齒輪箱“四步”清洗

傳統的油品更換方式為舊油排放后加注新油,但仍會有舊油及其他污染物的殘留,效果欠佳。通過“四步”清洗將消除上述弊端,具體如下。

1)預清洗。換油前,提前24 h在齒輪箱油箱內注入溶劑型清洗劑,注入量為齒輪箱容量的2%～4%。注入后齒輪箱保持24 h正常運行,以將箱內的油污溶解于油中。此時注意觀察濾芯狀態,要防止濾芯堵塞。

2)清洗油沖洗。預清洗結束舊油排放后仍有雜物殘留,此時加入低黏度的清洗油(成本低于工作油)進行沖洗,同時觀察所排放清洗油的顏色,直至清洗油顏色清淡。

3)工作油沖洗。用清洗油清洗結束后,如果此時直接加入工作油,殘留的清洗油會稀釋工作油,影響潤滑效果,因此需要用工作油沖洗一遍,盡可能洗出清洗油,減少殘留。

4)工作油加注。工作油沖洗結束,檢查齒輪箱濾芯、潤滑管路無問題后,經濾油裝置加注新的工作油至標準油位。加注完成,靜置30 min,待油泡消散后,啟動機器運行。

經過上述4步清洗后,齒輪箱內部油污粘連情況基本消除,高速軸系運行環境有效改善。

2.2 齒輪箱孔修復

傳統對軸承跑圈的處理并未關注齒輪箱孔的磨損問題。本文創新性利用金屬冷熔脈沖焊技術,選擇同材質焊材修復齒輪箱孔內圈,保證軸承裝備精度,從根本上解決軸承跑圈問題。

1)表面處理。清理齒輪箱孔表面油污,利用千分尺、平口尺配合紅丹粉,參照基準面測量磨損量,并做好標記。

2)金屬焊接。為控制補焊量和研磨量,保證公差精度,分別選擇厚度為0.05、0.10、0.15 mm 3種規格的焊片,從缺損最多的位置開始補焊,將對應的焊材利用冷溶脈沖焊機均勻密實地焊補在基體上,此時應注意焊接速度不宜過快,同時要帶好防塵口罩,做好個人防護。

3)孔徑打磨。完成磨損量的補焊后,留出0.05～0.10 mm的加工余量,利用千分尺、研磨工裝在線研磨,恢復齒輪箱孔的尺寸和表面光潔度。該焊接方法利用了金屬冷溶脈沖焊技術,同時借助了紅丹粉的助溶性,進一步減少了焊接過程中產生的熱量和應力集中,保證了焊接質量。修復后的齒輪箱孔如圖6所示

圖6 齒輪箱孔修復

2.3 竄動預警裝置安裝

高速軸竄動后,傳統方式下齒輪箱并不能及時發出預警,繼續運行,造成斷齒、齒輪箱損壞等擴大性損失。針對這一問題,本文設計了一種高速軸竄動預警裝置,避免設備隱患擴大,相關設計示意圖如圖7所示。

圖7 預警示意圖

將動臂式微動開關(常閉觸電)串接到風機安全鏈回路中,風機齒輪箱正常運行時,微動開關不動作,一旦齒輪箱高速軸軸向移動,高速軸測速盤觸發微動開關,使得機組安全鏈保護回路觸發,機組緊急停機,達到了保護齒輪箱的目的。

3 維護保養前后對比

利用本文提出的軸承維護方法對某場站1.5 MW機組進行潤滑油路清理,在保證潤滑油壓的同時進行高精度對中,創新性開展齒輪箱清洗和齒輪箱孔修復工作。借助振動分析儀[8]和高速軸溫度檢測儀獲得高速軸軸系的運行情況對比結果,見表3。

表3 維護保養前后軸系運行情況對比

由表可知,經過本文提出的方法維護保養后的高速軸軸系運行環境明顯改善,不同的運行情況下,高速軸軸系運行溫度平均低了10 ℃以上,振動值低了0.03 mm/s2,有效提高了高速軸軸系的使用壽命。

4 結束語

綜上所述,要保證高速軸軸系良好地運行,應當做好以下幾方面工作:1)隨時觀察高速軸軸系的潤滑情況,及時檢查潤滑油壓和油路,適時進行齒輪箱清洗,確保油壓和油路正常;2)提高軸承裝配和對中精度,及時修復齒輪箱孔,安裝竄動預警裝置,盡早發現高速軸軸系隱患,避免損失擴大;3)運用振動分析儀對高速軸的運行情況進行輔助性檢測,按照振動分析儀的反饋信息進行齒輪箱高速軸軸系治理。只要嚴格按照上述措施進行保養,就能延長高速軸軸系使用壽命,做到經濟與安全雙收益。