通過對不同齒輪箱振動頻譜的檢測結(jié)果的分析，論述了判斷齒輪箱由于長期處于某些惡劣條件下，如交變載荷或潤滑油失效，引起的齒輪和軸承損壞的檢測方法。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 齒輪箱 軸承 狀態(tài)檢測
一、風(fēng)電機組齒輪箱的結(jié)構(gòu)及運行特征
我國風(fēng)電場中安裝的風(fēng)電機組多數(shù)為進口機組。近幾年來，一批齒輪箱發(fā)生故障，有些由廠家更換，也有的由國內(nèi)齒輪箱專業(yè)廠進行了修理。有的風(fēng)場齒輪箱損壞率高達(dá)40~50%，極個別品牌機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出現(xiàn)，全世界很多地方同樣出現(xiàn)過問題，但在我國目前風(fēng)電機組運行出現(xiàn)的故障中已占了很大比重，應(yīng)認(rèn)真分析研究。
1) 過去小容量風(fēng)電機組齒輪箱多采用平行軸斜齒輪增速結(jié)構(gòu)，后來為避免齒輪箱造價過高、重量體積過大，500kW以上的風(fēng)電機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)計上就存在缺陷。
2) 由于我國有些地區(qū)地形地貌、氣候特征與歐洲相比有特殊性，可能對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的齒輪箱正常運行有一定影響。我國風(fēng)電場多數(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)輪上除水平來流外還有徑向氣流分量。我國相當(dāng)一部分地區(qū)氣流的陣風(fēng)因子影響較大，對于風(fēng)電機組機械傳動力系來說，經(jīng)常出現(xiàn)超過其設(shè)計極限條件的情況。作為傳遞動力的裝置-齒輪箱，由于氣流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致齒輪箱長期處于復(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)常進行狀態(tài)監(jiān)視可以及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，還可以分析從出現(xiàn)故障征兆到徹底失效的時間，以便及時安排檢修。
3) 在我國北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風(fēng)場極端(短時)最低氣溫達(dá)到-40℃以下，而風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計最低運行氣溫在-20℃以上，個別低溫型風(fēng)力發(fā)電機組最低可達(dá)到-30℃。如果長時間在低溫下運行，將損壞風(fēng)力發(fā)電機組中的部件，如齒輪箱。因此必須對齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因為當(dāng)風(fēng)速較長時間較低或停風(fēng)時，齒輪油會因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤滑部位，無法得到充分的潤滑，導(dǎo)致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而損壞。如果機艙溫度也很低，那么管路中潤滑油也會發(fā)生流動不暢的問題，這樣當(dāng)齒輪箱油不能通過管路到達(dá)散熱器，齒輪油溫會不斷上升直至停機。
歸納起來，我們可以分析在我國風(fēng)電場經(jīng)常發(fā)生齒輪箱故障可能主要有以下原因：
1、齒輪箱潤滑不良造成齒面、軸承過早磨損
-大氣溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達(dá)需潤滑部位而造成磨損
-潤滑劑散熱不好，經(jīng)常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞機械嚙合表面
-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤滑劑“中毒”而失效
2、設(shè)計上存在缺陷
齒輪的承載能力計算一般按照ISO6336(德國標(biāo)準(zhǔn)DIN3990)進行。當(dāng)無法從實際運行得到經(jīng)驗數(shù)據(jù)時，廠家可能選用的應(yīng)用系數(shù)KA為1.3，但實際上由于風(fēng)載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計與實際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過大而疲勞破壞。說明當(dāng)選擇應(yīng)用系數(shù)KA為1.3時，齒輪傳動鏈中載荷遠(yuǎn)超出按假設(shè)設(shè)計值。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)電機組安裝角如果設(shè)置過大時，冬季就會出現(xiàn)過功率現(xiàn)象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。
二、風(fēng)電機組齒輪箱故障診斷
通過對風(fēng)電機組旋轉(zhuǎn)部件的運行特征進行狀態(tài)監(jiān)測，比如實時監(jiān)測齒輪箱、主軸、發(fā)電機等部件的振動頻譜、齒輪油污染情況或定期對上述部件的狀態(tài)進行監(jiān)測、記錄，及時發(fā)現(xiàn)隱患，找出導(dǎo)致問題出現(xiàn)的原因，相應(yīng)采取措施加以解決。從風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱目前發(fā)生的故障來看，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、微動磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后，輕則金屬微粒會污染潤滑劑，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)重的使機組無法轉(zhuǎn)動而徹底停機。當(dāng)機械部件發(fā)生初期磨損時，其振動頻譜上會產(chǎn)生響應(yīng)特征頻率，通過測試儀器可以進行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。
1.應(yīng)用SKF公司CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)電機組齒輪箱故障進行診斷
我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測儀，對張北風(fēng)場2臺NTK300/31（其中：1號機齒輪箱在齒輪箱廠才修過且運行不滿1年，2號機為出現(xiàn)問題齒輪箱）齒輪箱進行了對比，通過齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動分析，準(zhǔn)確地找出了2號機齒輪箱的故障點，既NJ234和NJ320二個軸承損壞，為齒輪箱修復(fù)發(fā)現(xiàn)問題及解決問題提供了判定依據(jù)，減少了修理周期，相應(yīng)提高了設(shè)備可用率。
機組情況描述:機型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： 張北風(fēng)電場
已運行時間： 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16mm，進而引起，軸承22318 (HS)和NJ320 (IM2)損壞。
監(jiān)測方式：分別對張北風(fēng)場兩臺JA/KE CS520 (NTK300/31)齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測
監(jiān)測對象：1號齒輪箱為在齒輪箱廠才修過且運行不滿1年；2號為有問題齒輪箱
監(jiān)測狀態(tài)：風(fēng)電機組投運，并網(wǎng)發(fā)電
監(jiān)測時間：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個點
2) 風(fēng)電機組并網(wǎng)，依次在各取樣點提取振幅和頻率數(shù)據(jù)
3) 在計算機中進行頻譜分析，得知軸承、齒輪嚙合狀況。若發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)頻譜特征，結(jié)合齒輪箱的運行參數(shù)，推斷引起問題的因素。
4) 建立狀態(tài)分析檔案，跟蹤質(zhì)量檢查。
監(jiān)測結(jié)果：
1號齒輪箱：齒輪間嚙合及軸承運行工況良好。
2號齒輪箱：
1) 輸入軸：出現(xiàn)齒輪箱的嚙合頻率及其高倍的諧波分量，說明軸承狀態(tài)良好，齒輪運行存在缺陷。
2) IM1軸：
輸入端：出現(xiàn)了缺陷頻率和諧波分量，說明軸承狀態(tài)及齒輪運行不良。
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，說明軸承有問題，如圖1。
4) 高速軸：輸出端的振動頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。
三、結(jié)論
綜上所述，我們認(rèn)為：對于齒輪箱齒輪、軸承的故障診斷尚處于摸索時期，還需要有一定的時間和更多的實踐，由于我們對為數(shù)不多的幾臺風(fēng)電機組的齒輪箱進行了分析，難免存在有一定的片面性，但其效果經(jīng)證實是有效的。
我們采用狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱進行檢測，對于我們發(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)電機組運行管理的角度來看，我們必須了解齒輪箱的狀態(tài)，以及當(dāng)出現(xiàn)問題時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，避免故障的進一步擴大，并指導(dǎo)日后的修理。
某些振動頻率幅值超過設(shè)計極限，也是造成設(shè)備損壞的一個原因，因此國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。
我們無論是國產(chǎn)化制造齒輪箱還是齒輪箱的用戶，在今后運行維護中應(yīng)注意以下幾點：
1) 必須深入了解齒輪箱輸入的載荷譜，以及齒輪箱的振動頻譜，通過測試分析找出故障原因，并在設(shè)計制造中進行改進，如設(shè)計參數(shù)、加工工藝改變。
2) 對于不同用戶應(yīng)采取不同措施，如陣風(fēng)大，交變應(yīng)力較大的地方，應(yīng)對齒輪箱及軸承進行加強設(shè)計。
3) 低溫時，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)視振動頻譜，對齒輪箱故障進行預(yù)測，如果齒輪箱軸承或齒輪出現(xiàn)故障特征頻率時，及時分析處理，并不斷進行測試最終建立數(shù)據(jù)庫。
5) 應(yīng)不斷檢查潤滑部位是否充分得到潤滑，以及潤滑劑是否有雜質(zhì)，是否已經(jīng)失效。
6) 必須對重點部位的溫度進行監(jiān)視，對超溫進行保護并及時發(fā)現(xiàn)問題。
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，國產(chǎn)齒輪箱代替進口是完全可行的。
