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摘 要：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪箱是重要的組成部分，而軸承是直接決定齒輪箱能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)鍵的裝置。由于軸承長(zhǎng)期處在滾動(dòng)的狀態(tài)下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法正常地運(yùn)行，嚴(yán)重情況會(huì)損害電網(wǎng)的使用壽命。引發(fā)軸承出現(xiàn)故障的原因，主要是軸承點(diǎn)蝕、高溫或者軸面磨損等情況組成。本文圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱軸承故障診斷探析展開討論，為解決齒輪軸承出現(xiàn)的故障采用的方法提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；齒輪箱；軸承；振動(dòng)；故障診斷
齒輪箱中軸承具有傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩以及變速等功能，一旦軸承出現(xiàn)故障，會(huì)嚴(yán)重影響齒輪箱的正常使用。若齒輪出現(xiàn)故障，其中 60% 的原因是由于齒輪失效引發(fā)的?，F(xiàn)階段對(duì)齒輪箱出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷時(shí)，會(huì)采用振動(dòng)法、油液分析法以及混沌診斷識(shí)別法。齒輪箱進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)，齒輪箱內(nèi)的組成部分，包括軸、齒輪以及軸承等零件，都會(huì)處在振動(dòng)的狀態(tài)，受到振動(dòng)的影響，軸承會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況，或者由于高溫、軸面磨損等，導(dǎo)致軸承無法繼續(xù)工作，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組正常的運(yùn)行。
1 齒輪箱故障分析方法
齒輪箱出現(xiàn)故障時(shí)，需要工作人員對(duì)其進(jìn)行充分的分析，主要分析齒輪齒形存在的誤差、箱體出現(xiàn)共振、軸承點(diǎn)蝕、高溫、軸面磨損以及轉(zhuǎn)軸彎曲等。通過對(duì)齒輪箱出現(xiàn)的故障特征進(jìn)行深入的了解，工作人員應(yīng)按照故障分析的標(biāo)準(zhǔn)，采用加速度時(shí)域分析、頻域分析等方法，收集齒輪箱在振動(dòng)狀態(tài)下發(fā)出的信號(hào)，將齒輪箱產(chǎn)生的平均振動(dòng)能量、時(shí)域峰值等參數(shù)作為研究對(duì)象，判斷齒輪箱整體振動(dòng)情況。采用速度時(shí)域分析方法，將平均振動(dòng)能量、時(shí)域信號(hào)峰值等參數(shù)進(jìn)行診斷，以便確定引發(fā)齒輪箱故障的原因。采用頻譜分析方法，是將齒輪箱在振動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)齒輪的嚙合頻率、加速度信號(hào)以及外環(huán)固有頻率進(jìn)行檢測(cè)，以便尋找的齒輪箱故障的引發(fā)因素。目前在對(duì)齒輪箱故障分析時(shí)，通常會(huì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行，為獲得更加準(zhǔn)確的故障分析數(shù)據(jù)，一般會(huì)對(duì)齒輪的征兆狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并且會(huì)真實(shí)地反映出齒輪故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)等，為工作人員提供必要的參考依據(jù)，從而采用針對(duì)性的措施解決齒輪箱出現(xiàn)的故障。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)典型故障診斷
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)診斷
目前，發(fā)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)重要的組成部分，并且承擔(dān)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的功能。而在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)，齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及軸承在振動(dòng)狀態(tài)下，會(huì)頻繁地出現(xiàn)故障，尤其是軸承易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、軸面磨損等故障，而且在高溫的環(huán)境中，會(huì)縮短齒輪的使用壽命。此外，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)能的關(guān)鍵設(shè)備，齒輪箱、軸承以及聯(lián)軸器等零件，都會(huì)受到不同程度荷載的沖擊，在不同荷載作用下，極易導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
圖1 齒輪箱、發(fā)電機(jī)測(cè)點(diǎn)分布圖
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下，在傳動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能運(yùn)輸至發(fā)電機(jī)，最后產(chǎn)生電能。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主軸、聯(lián)軸器、高速軸等裝置組成，每個(gè)裝置結(jié)構(gòu)不同，在運(yùn)行狀態(tài)下軸承出現(xiàn)故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)也不相同。主軸是連接風(fēng)輪和齒輪箱的關(guān)鍵裝置，風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過扭矩的變化將能量傳輸至齒輪箱，在齒輪箱的帶動(dòng)下，產(chǎn)生的軸向力會(huì)作用在其他裝置上。聯(lián)軸器是兩個(gè)不同裝置相互連接的零件，聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)其他兩個(gè)裝置共同旋轉(zhuǎn)。不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的動(dòng)力，需要聯(lián)軸器具備緩沖、減振等功能。聯(lián)軸器通常由主動(dòng)軸和從動(dòng)軸組成。高速軸是增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)連接的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能。
2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)典型故障診斷
將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，通常需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常年在大風(fēng)等惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，將最低承受溫度設(shè)置在零下 20℃，但是，許多地區(qū)的最低溫度會(huì)低至零下 40℃ ，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還需要承受較強(qiáng)的風(fēng)力，會(huì)增加機(jī)組承受的荷載，極易引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。尤其是機(jī)械傳動(dòng)裝置中，軸承會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕或者軸面磨損等故障，若工作人員未能及時(shí)解決故障，或者未能將出現(xiàn)故障的零件進(jìn)行更換，會(huì)使故障范圍不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞。
2.2.1 齒輪箱故障診斷
齒輪、滾動(dòng)軸承和軸等零件，是構(gòu)成齒輪箱重要的部分，在對(duì)齒輪、滾動(dòng)軸承和軸出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析時(shí)，通常借助振動(dòng)信號(hào)頻率特征以及故障特征，可以判定引發(fā)齒輪箱出現(xiàn)故障的原因。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，通常會(huì)保持在較高的轉(zhuǎn)速，一旦出現(xiàn)故障，齒輪箱內(nèi)零件會(huì)出現(xiàn)噪音，并且伴隨不規(guī)律的振動(dòng)。在對(duì)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)域、頻域以及幅值進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，工作人員會(huì)得到許多故?數(shù)據(jù)，最明顯的是齒輪故障和滾動(dòng)軸承故障數(shù)據(jù)，一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行速度提升，上述故障就會(huì)出現(xiàn)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常處在風(fēng)力較大的環(huán)境中，一般在荒野、海島等惡劣的地區(qū)，而由于風(fēng)力產(chǎn)生的荷載具有無規(guī)律特征，并且會(huì)在瞬時(shí)狀態(tài)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，會(huì)引發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最高轉(zhuǎn)速，每分鐘可高達(dá) 1500 轉(zhuǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪箱會(huì)出現(xiàn)高溫發(fā)熱的情況，同時(shí)在荷載的作用下，會(huì)引發(fā)齒輪箱出現(xiàn)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(xiàn)的故障形式包括以下幾種：第一，斷齒。齒輪受到周期性的應(yīng)力作用后，會(huì)在根部出現(xiàn)裂紋，而在荷載長(zhǎng)期的作用后，齒輪會(huì)出現(xiàn)斷齒情況；第二，齒輪齒面疲勞。齒輪箱在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，受到機(jī)械力學(xué)的作用，產(chǎn)生的作用力會(huì)使齒輪出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的狀態(tài)，只是齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕以及表面壓碎等情況。齒輪齒面出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現(xiàn)為振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)嚙合頻率、振動(dòng)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(tài)下，此時(shí)，齒面受到高溫的影響以及壓力作用，會(huì)在齒面出現(xiàn)磨損等情況，并且在齒輪相對(duì)滑動(dòng)的狀態(tài)下，齒面未能進(jìn)行充分的潤(rùn)滑，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)膠合故障。
2.2.2 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障診斷
風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為大型機(jī)械設(shè)備，發(fā)電機(jī)組通常放置在離地面幾十米的高空中，而且受到風(fēng)力的作用，安裝笨重的發(fā)電機(jī)組難度較大，無法保證轉(zhuǎn)子精準(zhǔn)的對(duì)中安裝。若轉(zhuǎn)子未能保持在對(duì)中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，在風(fēng)力以及運(yùn)行高溫共同影響下，齒輪箱內(nèi)的阻尼器會(huì)出現(xiàn)變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和軸承無法保持在對(duì)中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電站機(jī)組會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律振動(dòng)，致使前后旋轉(zhuǎn)裝置軸心無法保持在同一條直線狀態(tài)，從而引發(fā)軸承出現(xiàn)故障。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對(duì)中的故障，除了安裝難度較大以外，還由于以下原因?qū)е碌模旱谝?，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子，會(huì)由于該變量發(fā)生的變化，導(dǎo)致從動(dòng)轉(zhuǎn)子與主動(dòng)轉(zhuǎn)子間，產(chǎn)生不同的動(dòng)態(tài)情況；第二，承載轉(zhuǎn)子軸承座出現(xiàn)不同的膨脹情況；第三，機(jī)殼出現(xiàn)變形或者位移情況；第四，發(fā)電機(jī)所處地基出現(xiàn)不均勻沉降；第四，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲情況，引發(fā)機(jī)組出現(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)情況。
2.2.3 滾動(dòng)軸承故障診斷
在傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾動(dòng)軸承是重要的裝置。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體以及保持架構(gòu)成。在發(fā)電機(jī)組內(nèi)配置滾動(dòng)軸承，是發(fā)揮滾動(dòng)軸承具有的效率高、易于潤(rùn)滑以及摩擦阻力小等優(yōu)勢(shì)。但是，滾動(dòng)軸承在使用過程中，會(huì)出現(xiàn)較大的噪音，同時(shí)，無法承受較大的沖擊力。若滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障，極易引發(fā)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)大范圍的損壞情況。在對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行分析時(shí)，主要故障特征分為以下幾個(gè)方面：第一，軸承內(nèi)環(huán)出現(xiàn)剝落或者點(diǎn)蝕情況。使用頻譜對(duì)內(nèi)環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)出現(xiàn)較為明顯的諧波變化；第二，外環(huán)出現(xiàn)剝落或者點(diǎn)蝕情況。使用頻譜進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)故障特征為無變頻、無調(diào)幅情況；第三，滾動(dòng)體出現(xiàn)剝落或者點(diǎn)蝕情況時(shí)，在故障位置會(huì)出現(xiàn)明顯的調(diào)制峰群特征；第四，保持架出現(xiàn)變形或者脫落。使用頻譜進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)保持架出現(xiàn)特征頻率以及諧波。此外，滾動(dòng)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(fā)電機(jī)故障診斷
發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，可分為定子繞組故障和軸承故障。出現(xiàn)定子繞組故障時(shí)，繞組出現(xiàn)破壞、磨損以及裂紋等情況，此時(shí)繞組無法提供絕緣功能。出現(xiàn)軸承故障時(shí)，不同部分的故障會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號(hào)，以轉(zhuǎn)子不對(duì)中為例，會(huì)將這類問題歸納為偏心故障。此外，轉(zhuǎn)子和定子是由軸承支撐，軸承會(huì)承受較大的徑向負(fù)荷，在較大的荷載作用下，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)故障。通常情況下，軸承會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外圈損壞、點(diǎn)蝕以及磨損等情況，而且軸承在振動(dòng)狀態(tài)下，會(huì)提升出現(xiàn)故障的概率。
3 結(jié)語
綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，需要以科學(xué)的角度判定引發(fā)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，工作人員應(yīng)對(duì)機(jī)組內(nèi)的傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行充分的分析，逐一排查系統(tǒng)內(nèi)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(jù)以及試驗(yàn)等方法，對(duì)發(fā)電機(jī)組內(nèi)齒輪箱軸承出現(xiàn)的故障進(jìn)行模擬分析，還未能通過在線測(cè)試的方法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在對(duì)齒輪箱軸承故障進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)以復(fù)合故障診斷和混合智能故障診斷等技術(shù)，作為檢測(cè)故障的方法，有助于提升檢測(cè)效率，高效處理軸承出現(xiàn)的故障。
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