李瑉（mín）

（國投白銀風電有（yǒu）限公司）

摘　要：在風力發電（diàn）機組傳動係統中，齒輪（lún）箱是重要的組（zǔ）成部（bù）分，而（ér）軸承是直接決定齒（chǐ）輪箱能否正常運轉關鍵的裝置。由於軸承長期處在滾動的狀態下，經常會出（chū）現故障導（dǎo）致發電機組無法正常地運行，嚴重情（qíng）況會損害電網（wǎng）的使用壽命。引發（fā）軸承出現故障的原因，主要是軸承點蝕、高溫或（huò）者（zhě）軸麵磨損等情況（kuàng）組成。本文圍繞風力發電機組齒輪箱軸承故（gù）障診斷探析展開討論，為解決齒輪軸承出現的故障采（cǎi）用的方（fāng）法提供參考（kǎo）依據。

關鍵詞：風力發電機；齒輪箱；軸承；振動；故障診斷

齒輪箱中（zhōng）軸承具有傳遞運動、扭矩以及（jí）變速等功能，一旦（dàn）軸承出（chū）現（xiàn）故障，會嚴（yán）重（chóng）影響齒輪箱的正常使（shǐ）用。若齒輪出現故障，其中（zhōng） 60% 的原（yuán）因是（shì）由於齒輪失效引發的。現階段對（duì）齒輪箱出現的故障進行診斷時，會采用振（zhèn）動法（fǎ）、油液分（fèn）析法以及（jí）混沌診斷識別法。齒輪箱進（jìn）入到運行狀（zhuàng）態，齒輪（lún）箱內的組成部分，包括軸、齒輪以（yǐ）及軸承（chéng）等零件，都會處在振動的狀態，受到振動的影響，軸承會出現點蝕情況，或者由於高溫、軸麵磨損等，導致軸承（chéng）無法繼續工作，嚴重影響發電機組（zǔ）正常的運行。

1　齒輪箱故障分析方法

齒輪箱出現故障時，需要工（gōng）作人員對其進行充分的分析，主要分析齒輪（lún）齒形存在的誤差、箱（xiāng）體出現共振、軸承點蝕、高溫（wēn）、軸麵（miàn）磨（mó）損（sǔn）以及轉軸（zhóu）彎曲等。通過對齒輪箱出現的故障（zhàng）特征進行深入的了解，工作人員應按照故障分析的標準，采用加速度（dù）時域分析、頻域分析等方法，收集齒輪箱在（zài）振動狀態下（xià）發出的信號，將齒輪箱產生的平均振動能量、時域峰值等參數作為（wéi）研究（jiū）對象，判（pàn）斷齒輪箱整體振動情況。采用速度時域分析方（fāng）法，將平均（jun1）振動能量、時域信號峰值等參數進行診斷，以便確定引發齒輪箱故障的原（yuán）因。采用頻（pín）譜分析方法，是將齒輪箱在振動（dòng）狀態下，對齒輪的齧合頻率、加速度信號以及外環固有頻（pín）率進（jìn）行檢測，以（yǐ）便尋（xún）找的齒輪箱故障（zhàng）的引發因素。目前在對（duì）齒輪箱故障分析時（shí），通常（cháng）會在工業現場環境中進行，為獲得更加準確的（de）故障分析數據，一般會對齒（chǐ）輪的征兆狀態進行檢測，並（bìng）且會真實地反映出齒輪（lún）故障的位置、影響（xiǎng）範圍以及性質等，為工作人員提供必要的參考依據，從而采（cǎi）用針（zhēn）對性（xìng）的（de）措施解決齒輪箱出現的故障。

2　風力發電機（jī）組（zǔ）傳動係統典型故障診斷

2.1　風力發電機組傳動係統結構（gòu）診斷

目前，發電（diàn）機和機（jī）械傳動係統（tǒng）是組成風力發電機係統（tǒng）重要的組成部（bù）分，並且承擔穩定發電機組正常運行的功能。而在風力發電機組（zǔ）內，齒輪箱、發電機以及（jí）軸承在振動狀態下，會頻繁（fán）地出現故障，尤其是軸承易出現點蝕、軸麵磨損等故障，而且在高溫的環境中，會縮短齒輪的（de）使用壽命。此外，作為風力（lì）發電機組提供動（dòng）能的關（guān）鍵設備，齒輪箱、軸承以及聯（lián）軸器等零件，都會受到不同程度荷載（zǎi）的衝擊，在不同荷載作用下，極易導致傳動係統出現故障。

圖（tú）1　齒（chǐ）輪箱、發電機測點（diǎn）分布圖

風力發電機組在運行狀（zhuàng）態下，在傳動係（xì）統（tǒng）的帶動下，將風能轉換為機械能，再將（jiāng）機械能運輸至發電機，Z後產生（shēng）電（diàn）能。傳動係統（tǒng）主要由主軸、聯軸器、高速軸等裝置組（zǔ）成，每個裝置結構不同，在運行狀態下軸承出現故障的（de）位置、影響範圍以及性質（zhì）也不相（xiàng）同。主軸是（shì）連接風輪和齒輪箱的關鍵裝置，風輪在轉動時，通過扭矩的變化將能量傳輸至齒輪（lún）箱，在（zài）齒輪箱的帶動下，產生的軸向力會作用在其他裝置上。聯軸器是兩（liǎng）個不同裝置相互連接的（de）零件，聯（lián）軸器在轉動時，會帶動（dòng）其他兩個裝置共同旋轉。不同運動（dòng）狀態下產生的動力，需要聯軸器具備緩衝、減振等功能。聯（lián）軸器通常由主動軸（zhóu）和從動軸組成（chéng）。高速軸是增速齒（chǐ）輪箱和發電機連接的（de）裝置，高速軸保持在高速狀（zhuàng）態，可帶動發電機高速轉（zhuǎn）動產生電能。

2.2　風力發電機（jī）組傳動機構典型故障（zhàng）診（zhěn）斷

將風能轉換為電能，通常（cháng）需（xū）要風力發電機組常年在大風等惡劣的（de）環境中運行。在風力發電機組設計時，將Z低承受溫度設（shè）置在零下 20℃，但是，許（xǔ）多地區的Z低溫度會低至零下 40℃ ，並且風力發電機組還需要承受較強的風力，會增加機組承受（shòu）的荷載，極易引發傳動係統出現故障。尤其是機械傳動裝置中，軸承會出現點蝕或者軸（zhóu）麵磨損等故障（zhàng），若工（gōng）作人員未能及時解決故障，或者未（wèi）能將出現故障的零件進行更換，會使故障範圍不斷擴大，Z終導（dǎo）致風（fēng）力發電機損壞。

2.2.1　齒輪箱故障診斷

齒輪、滾動軸（zhóu）承和軸（zhóu）等零件，是構成齒輪箱重要的部分，在對齒輪（lún）、滾動軸承和軸出現的故（gù）障進行分析時，通常借助振動信號頻率特征（zhēng）以及（jí）故障特征，可以判定引發齒輪箱出現故障的原因。風力發電機組在運（yùn）行過程中，通常會保持在較高的轉速（sù），一旦出現（xiàn）故障，齒輪箱內零件會出現噪音，並且伴隨（suí）不規律的（de）振動。在對振動信號（hào）產生的時域、頻域（yù）以及幅值進行檢測時，工作人員會得（dé）到許多故?數據，Z明（míng）顯的是齒輪故（gù）障和滾動軸承故障數據，一旦風力發電機組運行速度提升，上述故障就會出現。

風力發電機組通常處在風力較大的環境（jìng）中，一般（bān）在荒野、海島等惡劣的地區，而由於風力產生的（de）荷載具有無規律特征，並且會在瞬時狀態對風力發電機組產生強大的衝擊力，會引發風力發電機組出現故障。目（mù）前，風力發電機組Z高轉速，每分鍾可（kě）高達 1500 轉，在長時間高速運轉過程中，齒輪箱會出現高溫發熱的情況，同（tóng）時（shí）在荷載（zǎi）的（de）作用（yòng）下，會引發齒輪箱出現故障。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，分布故障分為齒麵磨損、軸承損壞等。出（chū）現的故障形式（shì）包括以下幾種（zhǒng）：，斷齒。齒輪受到周期性的應力作用後，會在根部出現裂紋，而（ér）在荷載長期的作用後，齒輪（lún）會出現斷齒情況；第二，齒輪齒麵疲勞（láo）。齒輪箱在運動狀態下，受到（dào）機械力學的作用，產生的作用力會使齒（chǐ）輪出現相對滑動的狀態（tài），隻是齒麵出現點蝕、破壞（huài）性點蝕以及（jí）表麵壓碎等情況。齒輪齒麵出現疲勞（láo）狀態，故障狀態表現為振動信號出現齧合頻率、振動能量增大（dà）以及（jí）能量幅值增大（dà）等；第三，齒（chǐ）麵（miàn）膠合。齒輪受到高速重載（zǎi）的作用後，齒輪箱（xiāng）處在高溫的狀態下，此時，齒麵受到高溫的影響（xiǎng）以及壓力作用，會在（zài）齒麵出現磨損等情（qíng）況，並且在齒輪相對滑動的狀態下，齒麵未能進行（háng）充分的潤滑，導致齒麵出現膠合故障。

2.2.2　轉（zhuǎn）子不對（duì）中故障診（zhěn）斷

風力發電機作為大型機械設備，發電機組通常放置在離（lí）地麵幾十米的高（gāo）空（kōng）中，而且（qiě）受到風力（lì）的作用，安裝笨重的發電機組難度較大，無法保證轉子精（jīng）準的對中安裝。若轉子未能保持在對中狀態（tài），此時，發電（diàn）機組在長期運行過程中（zhōng），在風力以及運行高溫（wēn）共同影響下，齒輪箱內的阻尼器會出現變形，導致轉子和軸（zhóu）承無法保持（chí）在對中狀態，此時，發電站機組會出現不規律振動，致使前後（hòu）旋轉裝置軸心無法保持在同一條直線狀態，從而引發軸（zhóu）承出現故障。轉子出現不對（duì）中的故障，除了安裝難度較大以外，還由於以下原因導致的：，運動狀態下的轉子，會由於該變（biàn）量發生的變（biàn）化，導（dǎo）致從動轉子與主動轉子間，產生不同的動態情況；第二，承載（zǎi）轉子軸（zhóu）承座出現不同的（de）膨脹情況；第三，機殼出現變形或者位移情況；第四，發電機所處地基出現不均勻沉降；第四，轉子出現彎曲情況，引發（fā）機組出現不平衡的旋轉情況。

2.2.3　滾動軸承（chéng）故障診斷

在傳動係統中，滾動軸承是重要的裝置。滾動軸承一（yī）般由內環、外環、滾（gǔn）動體以及保持架構成。在發電（diàn）機組內配置滾動軸承，是發揮滾動軸承具（jù）有的效率（lǜ）高（gāo）、易於潤滑以及摩擦阻力小等優勢。但是，滾動軸承在使用過程中，會出現較大的噪音，同時，無法承受較大的衝擊力。若滾動軸承出（chū）現故障，極易引發發電機組出現大（dà）範圍的損（sǔn）壞情況。在對滾動軸承故障進行分析時（shí），主要故障（zhàng）特征分為以下幾個方（fāng）麵：，軸承內環出現剝落或者點（diǎn）蝕情況。使（shǐ）用頻譜（pǔ）對內環進行檢測，會出現較為明顯的諧波變化；第二，外環出現剝落或者點蝕情況。使用頻譜進行檢測，此時故障特征為無變頻、無（wú）調幅情況；第三，滾動體出現剝落或者（zhě）點蝕情況（kuàng）時，在故障位置會出現明顯的調製（zhì）峰群特征；第（dì）四，保持架出現變形或者脫落。使用頻譜進行（háng）檢測，發現保（bǎo）持架出（chū）現特征頻率以（yǐ）及諧波。此外，滾（gǔn）動軸承的故（gù）障形式分為（wéi）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（yǐ）及壓痕故障。

2.2.4　發電機（jī）故障診（zhěn）斷

發電機出現故障，可分為（wéi）定子繞組故障和軸承故障。出現定子繞組故障時，繞組出現破壞、磨（mó）損以及裂紋等情況，此時繞組無法提（tí）供絕緣功能。出現軸承（chéng）故障時，不同部分的故障會產生（shēng）不同的振動信號，以（yǐ）轉（zhuǎn）子不對中為例（lì），會將這類（lèi）問題歸納為（wéi）偏心故障。此外，轉子和定子（zǐ）是由（yóu）軸承支撐，軸承會（huì）承受較（jiào）大的（de）徑向負荷，在較大的荷載作用下，導致（zhì）軸承出現（xiàn）故障。通常情況（kuàng）下，軸（zhóu）承會出現內外圈（quān）損壞、點蝕以及（jí）磨損等情況，而且軸承在振動狀態下，會提升出現故障的概率。

3　結語

綜上所述，風力發電機組出現故障時，需（xū）要以科學的（de）角度判定引發風力發電（diàn）係（xì）統出現故障的原因。一旦風力發電機組出現故障，工作人員應對機組內的傳統係統進行充（chōng）分的分析，逐一排（pái）查係統內不同（tóng）裝置存在（zài）的故障因素。但是，受到故障診斷條（tiáo）件的影響，隻能通過理論依據以及試驗等方法，對發電機組內齒輪（lún）箱軸承出現（xiàn）的故障進行模擬分析，還未能通過在線測試的方法（fǎ）獲得準確的數據（jù）。在對齒輪箱軸（zhóu）承故障進行分析時，應以複合（hé）故障（zhàng）診斷和（hé）混合智能故障診斷等技術，作為檢測故障的方法，有助（zhù）於提升檢測效率，高效處理軸承出現的故障（zhàng）。

參考文獻：

[1] 王朝暉, 崔厚（hòu）璽. 應（yīng）用倒頻譜分析法對風（fēng）力發電機組齒輪（lún）箱故障診斷

[2] 符智, 郭波江. 風力發電機組齒輪（lún）箱軸承故障診斷研究

[3] 劉（liú）成浩, 馬瑀澤. 風力發電（diàn）機組齒輪箱振動測試及分析

來源：《中國設備工程（chéng）》2020年02月10日