通過(guò)對(duì)不同齒輪箱振動(dòng)頻譜的檢測(cè)結(jié)果的分析，論述了判斷齒輪箱由于長(zhǎng)期處于某些惡劣條件下，如交變載荷或潤(rùn)滑油失效，引起的齒輪和軸承損壞的檢測(cè)方法。分析了齒輪箱出現(xiàn)故障的原因以及應(yīng)采取的措施。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī) 齒輪箱 軸承 狀態(tài)檢測(cè)
一、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特征
我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中安裝的風(fēng)電機(jī)組多數(shù)為進(jìn)口機(jī)組。近幾年來(lái)，一批齒輪箱發(fā)生故障，有些由廠家更換，也有的由國(guó)內(nèi)齒輪箱專業(yè)廠進(jìn)行了修理。有的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率高達(dá)40~50%，極個(gè)別品牌機(jī)組齒輪箱更換率幾乎接近100%。雖然齒輪箱發(fā)生損壞不僅僅在我國(guó)出現(xiàn)，全世界很多地方同樣出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，但在我國(guó)目前風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)的故障中已占了很大比重，應(yīng)認(rèn)真分析研究。
1) 過(guò)去小容量風(fēng)電機(jī)組齒輪箱多采用平行軸斜齒輪增速結(jié)構(gòu)，后來(lái)為避免齒輪箱造價(jià)過(guò)高、重量體積過(guò)大，500kW以上的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱多為平行軸與行星輪的混合結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，輪轂高度增加，齒輪箱受力變得復(fù)雜化，這樣就造成有些齒輪箱可能在設(shè)計(jì)上就存在缺陷。
2) 由于我國(guó)有些地區(qū)地形地貌、氣候特征與歐洲相比有特殊性，可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的齒輪箱正常運(yùn)行有一定影響。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)處于山區(qū)或丘陵地帶，尤其是東南沿海及島嶼，地形復(fù)雜造成氣流受地形影響發(fā)生崎變，由此產(chǎn)生在風(fēng)輪上除水平來(lái)流外還有徑向氣流分量。我國(guó)相當(dāng)一部分地區(qū)氣流的陣風(fēng)因子影響較大，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)力系來(lái)說(shuō)，經(jīng)常出現(xiàn)超過(guò)其設(shè)計(jì)極限條件的情況。作為傳遞動(dòng)力的裝置-齒輪箱，由于氣流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致齒輪箱長(zhǎng)期處于復(fù)雜的交變載荷下工作。由于設(shè)備安裝在幾十米高空，不可能容易地送到工廠檢修，因此經(jīng)常進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理，還可以分析從出現(xiàn)故障征兆到徹底失效的時(shí)間，以便及時(shí)安排檢修。
3) 在我國(guó)北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風(fēng)場(chǎng)極端(短時(shí))最低氣溫達(dá)到-40℃以下，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)最低運(yùn)行氣溫在-20℃以上，個(gè)別低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最低可達(dá)到-30℃。如果長(zhǎng)時(shí)間在低溫下運(yùn)行，將損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的部件，如齒輪箱。因此必須對(duì)齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較長(zhǎng)時(shí)間較低或停風(fēng)時(shí)，齒輪油會(huì)因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤(rùn)滑部位，無(wú)法得到充分的潤(rùn)滑，導(dǎo)致齒輪或軸承短時(shí)缺乏潤(rùn)滑而損壞。如果機(jī)艙溫度也很低，那么管路中潤(rùn)滑油也會(huì)發(fā)生流動(dòng)不暢的問(wèn)題，這樣當(dāng)齒輪箱油不能通過(guò)管路到達(dá)散熱器，齒輪油溫會(huì)不斷上升直至停機(jī)。
歸納起來(lái)，我們可以分析在我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生齒輪箱故障可能主要有以下原因：
1、齒輪箱潤(rùn)滑不良造成齒面、軸承過(guò)早磨損
-大氣溫度過(guò)低，潤(rùn)滑劑凝固，造成潤(rùn)滑劑無(wú)法到達(dá)需潤(rùn)滑部位而造成磨損
-潤(rùn)滑劑散熱不好，經(jīng)常過(guò)熱，造成潤(rùn)滑劑提前失效而損壞機(jī)械嚙合表面
-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤(rùn)滑劑“中毒”而失效
2、設(shè)計(jì)上存在缺陷
齒輪的承載能力計(jì)算一般按照ISO6336(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN3990)進(jìn)行。當(dāng)無(wú)法從實(shí)際運(yùn)行得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，廠家可能選用的應(yīng)用系數(shù)KA為1.3，但實(shí)際上由于風(fēng)載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計(jì)與實(shí)際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過(guò)大而疲勞破壞。說(shuō)明當(dāng)選擇應(yīng)用系數(shù)KA為1.3時(shí)，齒輪傳動(dòng)鏈中載荷遠(yuǎn)超出按假設(shè)設(shè)計(jì)值。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當(dāng)大，而造成軸承損壞。
3、失速調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)組安裝角如果設(shè)置過(guò)大時(shí)，冬季就會(huì)出現(xiàn)過(guò)功率現(xiàn)象，過(guò)高載荷影響齒輪箱的壽命。
二、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷
通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)行特征進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，比如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)等部件的振動(dòng)頻譜、齒輪油污染情況或定期對(duì)上述部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，找出導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的原因，相應(yīng)采取措施加以解決。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱目前發(fā)生的故障來(lái)看，齒輪、軸承部件的損壞主要有幾種情況的磨損：粘附磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動(dòng)磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后，輕則金屬微粒會(huì)污染潤(rùn)滑劑，影響功率傳遞，產(chǎn)生噪音，造成齒面嚴(yán)重磨損或斷裂，軸承內(nèi)外圈或滾珠損壞，嚴(yán)重的使機(jī)組無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而徹底停機(jī)。當(dāng)機(jī)械部件發(fā)生初期磨損時(shí)，其振動(dòng)頻譜上會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)特征頻率，通過(guò)測(cè)試儀器可以進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
1.應(yīng)用SKF公司CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障進(jìn)行診斷
我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，對(duì)張北風(fēng)場(chǎng)2臺(tái)NTK300/31（其中：1號(hào)機(jī)齒輪箱在齒輪箱廠才修過(guò)且運(yùn)行不滿1年，2號(hào)機(jī)為出現(xiàn)問(wèn)題齒輪箱）齒輪箱進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動(dòng)分析，準(zhǔn)確地找出了2號(hào)機(jī)齒輪箱的故障點(diǎn)，既NJ234和NJ320二個(gè)軸承損壞，為齒輪箱修復(fù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決問(wèn)題提供了判定依據(jù)，減少了修理周期，相應(yīng)提高了設(shè)備可用率。
機(jī)組情況描述:機(jī)型NTK300/31(NEG/MICON早期產(chǎn)品) 額定功率：300kW
齒輪箱類型: JA/KE CS520
安裝風(fēng)場(chǎng)： 張北風(fēng)電場(chǎng)
已運(yùn)行時(shí)間： 30,505h
已發(fā)電量： 2,923,913kWh
齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234 (IM1)內(nèi)圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動(dòng)16mm，進(jìn)而引起，軸承22318 (HS)和NJ320 (IM2)損壞。
監(jiān)測(cè)方式：分別對(duì)張北風(fēng)場(chǎng)兩臺(tái)JA/KE CS520 (NTK300/31)齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)對(duì)象：1號(hào)齒輪箱為在齒輪箱廠才修過(guò)且運(yùn)行不滿1年；2號(hào)為有問(wèn)題齒輪箱
監(jiān)測(cè)狀態(tài)：風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)，并網(wǎng)發(fā)電
監(jiān)測(cè)時(shí)間：2h
取樣/分析程序：
1) 所有軸承端蓋的水平和垂直方向各取1個(gè)點(diǎn)
2) 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)，依次在各取樣點(diǎn)提取振幅和頻率數(shù)據(jù)
3) 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行頻譜分析，得知軸承、齒輪嚙合狀況。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，根據(jù)頻譜特征，結(jié)合齒輪箱的運(yùn)行參數(shù)，推斷引起問(wèn)題的因素。
4) 建立狀態(tài)分析檔案，跟蹤質(zhì)量檢查。
監(jiān)測(cè)結(jié)果：
1號(hào)齒輪箱：齒輪間嚙合及軸承運(yùn)行工況良好。
2號(hào)齒輪箱：
1) 輸入軸：出現(xiàn)齒輪箱的嚙合頻率及其高倍的諧波分量，說(shuō)明軸承狀態(tài)良好，齒輪運(yùn)行存在缺陷。
2) IM1軸：
輸入端：出現(xiàn)了缺陷頻率和諧波分量，說(shuō)明軸承狀態(tài)及齒輪運(yùn)行不良。
輸出端： 出現(xiàn)大量的缺陷頻率和諧波分量并加雜大量邊頻，說(shuō)明軸承己明顯損壞，齒輪的嚙合不良。
3) IM2軸：出現(xiàn)不少軸承缺陷特征，說(shuō)明軸承有問(wèn)題，如圖1。
4) 高速軸：輸出端的振動(dòng)頻譜說(shuō)明無(wú)明顯的軸承損壞特征。
三、結(jié)論
綜上所述，我們認(rèn)為：對(duì)于齒輪箱齒輪、軸承的故障診斷尚處于摸索時(shí)期，還需要有一定的時(shí)間和更多的實(shí)踐，由于我們對(duì)為數(shù)不多的幾臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱進(jìn)行了分析，難免存在有一定的片面性，但其效果經(jīng)證實(shí)是有效的。
我們采用狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于我們發(fā)現(xiàn)和正確判斷出現(xiàn)的故障以及判斷故障位置和可能的原因有很大的幫助，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行管理的角度來(lái)看，我們必須了解齒輪箱的狀態(tài)，以及當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能得到正確的判斷和相應(yīng)的處理。我們感到只有借助儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)才能真正了解故障的原因以及應(yīng)采取的措施，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，并指導(dǎo)日后的修理。
某些振動(dòng)頻率幅值超過(guò)設(shè)計(jì)極限，也是造成設(shè)備損壞的一個(gè)原因，因此國(guó)外一些廠家在齒輪箱上安裝一些阻尼器，抑制某些頻率而達(dá)到減少設(shè)備破壞的目的。
我們無(wú)論是國(guó)產(chǎn)化制造齒輪箱還是齒輪箱的用戶，在今后運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1) 必須深入了解齒輪箱輸入的載荷譜，以及齒輪箱的振動(dòng)頻譜，通過(guò)測(cè)試分析找出故障原因，并在設(shè)計(jì)制造中進(jìn)行改進(jìn)，如設(shè)計(jì)參數(shù)、加工工藝改變。
2) 對(duì)于不同用戶應(yīng)采取不同措施，如陣風(fēng)大，交變應(yīng)力較大的地方，應(yīng)對(duì)齒輪箱及軸承進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。
3) 低溫時(shí)，應(yīng)考慮妥善的加熱方法，以及良好的散熱系統(tǒng)。
4) 應(yīng)充分監(jiān)視振動(dòng)頻譜，對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果齒輪箱軸承或齒輪出現(xiàn)故障特征頻率時(shí)，及時(shí)分析處理，并不斷進(jìn)行測(cè)試最終建立數(shù)據(jù)庫(kù)。
5) 應(yīng)不斷檢查潤(rùn)滑部位是否充分得到潤(rùn)滑，以及潤(rùn)滑劑是否有雜質(zhì)，是否已經(jīng)失效。
6) 必須對(duì)重點(diǎn)部位的溫度進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)超溫進(jìn)行保護(hù)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。
總之，齒輪箱損壞需引起我們的重視。正確分析原因，采取相應(yīng)措施，國(guó)產(chǎn)齒輪箱代替進(jìn)口是完全可行的。
