隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面恢復(fù)常態(tài)化運(yùn)行,我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好,風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)、增速較快。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì),2023 年上半年, 全國(guó)可再生能源新增裝機(jī) 1. 09 億千瓦,占全國(guó)新增裝機(jī)比重的 77%,可再生能源新增發(fā)電量占全國(guó)新增發(fā)電量 54%以上。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,風(fēng)電機(jī)組的可靠性與穩(wěn)定性對(duì)于保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行和提高風(fēng)能利用效率至關(guān)重要。而齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的核心組件之一,其故障會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組故障和停機(jī)的主要原因之一,且齒輪箱的修復(fù)和維護(hù)成本較高。因此,及時(shí)準(zhǔn)確地診斷齒輪箱故障對(duì)于確保風(fēng)電機(jī)組的可靠性、提高運(yùn)行效率和延長(zhǎng)設(shè)備壽命至關(guān)重要。近年來(lái),振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷中。
一、齒輪箱結(jié)構(gòu)以及故障機(jī)理
齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的重要部件之一,主要由齒輪、軸承、潤(rùn)滑系統(tǒng)和殼體組成。其主要功能是將風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)所需的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。本文主要對(duì)一級(jí)行星兩級(jí)平行軸(雙饋)作為傳動(dòng)方式的齒輪箱進(jìn)行分析,如圖 1 所示, 該種齒輪箱結(jié)構(gòu)主要用于 2 MW 及以下功率的風(fēng)電機(jī)組。由于齒輪箱的長(zhǎng)期處于高負(fù)荷、高沖擊、高扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)工況下,其故障率通常較高,并且主要集中在齒輪箱和軸承中。常見(jiàn)的齒輪箱故障包括齒輪故障和磨損(斷齒、膠合、點(diǎn)蝕)、滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈軸承故障、保持架故障、軸不對(duì)稱、不平衡等。滾動(dòng)軸承若發(fā)生故障,其工作運(yùn)行時(shí)滾動(dòng)體每次接觸到故障部位,會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊響應(yīng),采集到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖 經(jīng)常以沖擊特性表現(xiàn)出來(lái),在頻譜圖上可以看到其故障特征頻率。
齒輪箱的故障機(jī)理通常可以歸納為以下幾種:
1) 齒輪疲勞斷裂;
2) 軸承故障;
3) 齒輪箱供油系統(tǒng)故障;
4) 設(shè)計(jì)和制造缺陷。
以上是齒輪箱的一些常見(jiàn)故障機(jī)理,這些故障會(huì)導(dǎo)致齒輪箱的振動(dòng)、噪聲和溫度異常,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)組故障和停機(jī)。在實(shí)際的齒輪箱故障分析中, 振動(dòng)頻譜包含的信息很多,不同的齒輪故障頻率表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特征。因此,高效、準(zhǔn)確診斷和及時(shí)處理齒輪箱故障對(duì)于確保風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的可靠性和運(yùn)行效率顯得非常重要。軸承的故障特征頻率 (嚙合頻率)計(jì)算公式如下 :
保持架故障
外圈故障
式中:Rpmi 和 Rpmo 分別為軸內(nèi)圈、外圈轉(zhuǎn)速,N 為滾動(dòng)體個(gè)數(shù),D 為軸承節(jié)圓直徑,d 為滾動(dòng)體直徑,α 為接觸角。
二、齒輪箱振動(dòng)故障診斷實(shí)例
故障現(xiàn)象
某風(fēng)電場(chǎng)一臺(tái)結(jié)構(gòu)為一級(jí)行星兩級(jí)平行風(fēng)電機(jī)組齒輪箱,運(yùn)行時(shí)間三年,振動(dòng)分析工程師通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)齒輪箱低速軸齒輪存在損傷。齒輪箱齒數(shù)參數(shù)如表 1 所示。
故障振動(dòng)診斷
儀器及測(cè)點(diǎn)位置：該風(fēng)場(chǎng)配備了型號(hào)為 WindDAU 的在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備,選用了加速度傳感器,對(duì)齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分別對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的①、②、③這三個(gè)位置安裝振動(dòng)傳感器,安裝的方式分別為輸入端徑向水平、內(nèi)齒圈徑向垂直、高速端徑向垂直如見(jiàn)圖 2 所示。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析：實(shí)例所用齒輪箱的傳動(dòng)比為 137. 47,在齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速為 1 761 r/ min 工況下, 輸入轉(zhuǎn)速約為 12. 81 r/ min。齒輪箱輸入轉(zhuǎn)速為 12. 81 r/ min 時(shí), 對(duì)齒輪箱輸出低速軸轉(zhuǎn)速為 71. 76 r/ min,齒輪箱各個(gè)軸的轉(zhuǎn)頻如表 2 所示。
齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速為 1 761 r/ min 時(shí),使用在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可快速對(duì) 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)所采集到的齒輪箱振動(dòng)加速度信號(hào)作時(shí)域分析,發(fā)現(xiàn)輸入端徑向水平測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域波形存在明顯沖擊。后續(xù)僅對(duì)齒輪箱輸出低速軸測(cè)點(diǎn)做時(shí)域波形圖分析, 其波形如圖 3 所示。
從圖 3 中可以看出存在 1. 191 Hz 的沖擊間隔, 此沖擊間隔頻率與表 2 的齒輪箱 2 級(jí)平行軸低速齒輪轉(zhuǎn)頻接近,由此可以判斷出該齒輪箱 2 級(jí)平行低速齒輪存在故障。為探究原因,再對(duì)齒輪箱輸入端 的徑向水平測(cè)點(diǎn)作頻譜圖分析。
齒輪箱輸出低速軸徑向頻譜圖如圖 4 所示,2 級(jí)嚙合頻率及其倍頻明顯,嚙合頻率附近等間隔頻率線豐富,見(jiàn) 200 Hz 附近譜峰群底噪明顯升高。
從圖 5 可以看出,放大 200 Hz 譜峰群后,明顯可見(jiàn)存在等間隔邊帶線頻率,對(duì)間隔邊帶線頻率進(jìn)行標(biāo)注計(jì)算,通過(guò)在系統(tǒng)上對(duì)頻譜進(jìn)行標(biāo)記,即光標(biāo) A 和光標(biāo) B,可以在頻譜圖右上角讀出兩光標(biāo)的間隔頻率為 1. 25 Hz,接近表 2 中的 2 級(jí)別平行低速齒輪轉(zhuǎn)頻 1. 18Hz。綜上分析可知,齒輪箱低速軸低速齒輪存在損傷。
通過(guò)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)振動(dòng)分析師可以直接在時(shí)域頻譜圖上如沖擊點(diǎn)等關(guān)鍵位置進(jìn)行標(biāo)記,系統(tǒng)在時(shí)域、頻譜圖的右上角自動(dòng)給出相應(yīng)的參數(shù)信息,無(wú)需人為計(jì)算,減少數(shù)據(jù)分析時(shí)間,極大提高了工作效率及故障診斷的準(zhǔn)確性。
三、故障處理
作者指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員登塔開(kāi)箱目視檢查發(fā)現(xiàn),該風(fēng)電機(jī)組齒輪箱低速軸大齒存在兩處斷裂情況,如圖 6 所示。經(jīng)過(guò)運(yùn)維人員精準(zhǔn)維修和更換低速大齒后,該機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。可見(jiàn),基于在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷方法具有較高的實(shí)用性和可行性,對(duì)于提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。
四、結(jié) 語(yǔ)
本文基于在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障進(jìn)行分析與診斷。通過(guò)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障案例,實(shí)時(shí)采集齒輪箱振動(dòng)信號(hào),并采用信號(hào)處理和特征提取方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,提取出頻域、時(shí)域和幅值特征,結(jié)果表明,振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在齒輪箱故障診斷中的具有較高的準(zhǔn)確性和可行性。
在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效、準(zhǔn)確地診斷齒輪箱故障。該方法能夠?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的健康管理提供有力支持,從而推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步完善該方法,在不同工況下進(jìn)行驗(yàn)證,并結(jié)合其他監(jiān)測(cè)手段,進(jìn)一步提高齒輪箱故障的預(yù)警和診斷能力,并為后續(xù)的維修和保養(yǎng)工作提供依據(jù)和支持。
參考文獻(xiàn)略.