风力发电机组齿轮箱轴承故障分析与解决方法

摘 要：在风力发电机组传动系统中，齿轮箱是重要的组成部分，而轴承是直接决定齿轮箱能否正常运转关键的装置。由于轴承长期处在滚动的状态下，经常会出现故障导致发电机组无法正常地运行，严重情况会损害电网的使用寿命。引发轴承出现故障的原因，主要是轴承点蚀、高温或者轴面磨损等情况组成。本文围绕风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断探析展开讨论，为解决齿轮轴承出现的故障采用的方法提供参考依据。

关键词：风力发电机；齿轮箱；轴承；振动；故障诊断

齿轮箱中轴承具有传递运动、扭矩以及变速等功能，一旦轴承出现故障，会严重影响齿轮箱的正常使用。若齿轮出现故障，其中 60% 的原因是由于齿轮失效引发的。现阶段对齿轮箱出现的故障进行诊断时，会采用振动法、油液分析法以及混沌诊断识别法。齿轮箱进入到运行状态，齿轮箱内的组成部分，包括轴、齿轮以及轴承等零件，都会处在振动的状态，受到振动的影响，轴承会出现点蚀情况，或者由于高温、轴面磨损等，导致轴承无法继续工作，严重影响发电机组正常的运行。

1齿轮箱故障分析方法

齿轮箱出现故障时，需要工作人员对其进行充分的分析，主要分析齿轮齿形存在的误差、箱体出现共振、轴承点蚀、高温、轴面磨损以及转轴弯曲等。通过对齿轮箱出现的故障特征进行深入的了解，工作人员应按照故障分析的标准，采用加速度时域分析、频域分析等方法，收集齿轮箱在振动状态下发出的信号，将齿轮箱产生的平均振动能量、时域峰值等参数作为研究对象，判断齿轮箱整体振动情况。采用速度时域分析方法，将平均振动能量、时域信号峰值等参数进行诊断，以便确定引发齿轮箱故障的原因。采用频谱分析方法，是将齿轮箱在振动状态下，对齿轮的啮合频率、加速度信号以及外环固有频率进行检测，以便寻找的齿轮箱故障的引发因素。目前在对齿轮箱故障分析时，通常会在工业现场环境中进行，为获得更加准确的故障分析数据，一般会对齿轮的征兆状态进行检测，并且会真实地反映出齿轮故障的位置、影响范围以及性质等，为工作人员提供必要的参考依据，从而采用针对性的措施解决齿轮箱出现的故障。

2风力发电机组传动系统典型故障诊断

2.1风力发电机组传动系统结构诊断

目前，发电机和机械传动系统是组成风力发电机系统重要的组成部分，并且承担稳定发电机组正常运行的功能。而在风力发电机组内，齿轮箱、发电机以及轴承在振动状态下，会频繁地出现故障，尤其是轴承易出现点蚀、轴面磨损等故障，而且在高温的环境中，会缩短齿轮的使用寿命。此外，作为风力发电机组提供动能的关键设备，齿轮箱、轴承以及联轴器等零件，都会受到不同程度荷载的冲击，在不同荷载作用下，极易导致传动系统出现故障。

图1 齿轮箱、发电机测点分布图

风力发电机组在运行状态下，在传动系统的带动下，将风能转换为机械能，再将机械能运输至发电机，最后产生电能。传动系统主要由主轴、联轴器、高速轴等装置组成，每个装置结构不同，在运行状态下轴承出现故障的位置、影响范围以及性质也不相同。主轴是连接风轮和齿轮箱的关键装置，风轮在转动时，通过扭矩的变化将能量传输至齿轮箱，在齿轮箱的带动下，产生的轴向力会作用在其他装置上。联轴器是两个不同装置相互连接的零件，联轴器在转动时，会带动其他两个装置共同旋转。不同运动状态下产生的动力，需要联轴器具备缓冲、减振等功能。联轴器通常由主动轴和从动轴组成。高速轴是增速齿轮箱和发电机连接的装置，高速轴保持在高速状态，可带动发电机高速转动产生电能。

2.2风力发电机组传动机构典型故障诊断

将风能转换为电能，通常需要风力发电机组常年在大风等恶劣的环境中运行。在风力发电机组设计时，将最低承受温度设置在零下 20℃，但是，许多地区的最低温度会低至零下 40℃ ，并且风力发电机组还需要承受较强的风力，会增加机组承受的荷载，极易引发传动系统出现故障。尤其是机械传动装置中，轴承会出现点蚀或者轴面磨损等故障，若工作人员未能及时解决故障，或者未能将出现故障的零件进行更换，会使故障范围不断扩大，最终导致风力发电机损坏。

2.2.1齿轮箱故障诊断

齿轮、滚动轴承和轴等零件，是构成齿轮箱重要的部分，在对齿轮、滚动轴承和轴出现的故障进行分析时，通常借助振动信号频率特征以及故障特征，可以判定引发齿轮箱出现故障的原因。风力发电机组在运行过程中，通常会保持在较高的转速，一旦出现故障，齿轮箱内零件会出现噪音，并且伴随不规律的振动。在对振动信号产生的时域、频域以及幅值进行检测时，工作人员会得到许多故?数据，最明显的是齿轮故障和滚动轴承故障数据，一旦风力发电机组运行速度提升，上述故障就会出现。

风力发电机组通常处在风力较大的环境中，一般在荒野、海岛等恶劣的地区，而由于风力产生的荷载具有无规律特征，并且会在瞬时状态对风力发电机组产生强大的冲击力，会引发风力发电机组出现故障。目前，风力发电机组最高转速，每分钟可高达 1500 转，在长时间高速运转过程中，齿轮箱会出现高温发热的情况，同时在荷载的作用下，会引发齿轮箱出现故障。目前，齿轮箱常见的故障，包括局部故障和分布故障。局部故障包括齿轮损伤、弯曲疲劳等，分布故障分为齿面磨损、轴承损坏等。出现的故障形式包括以下几种：第一，断齿。齿轮受到周期性的应力作用后，会在根部出现裂纹，而在荷载长期的作用后，齿轮会出现断齿情况；第二，齿轮齿面疲劳。齿轮箱在运动状态下，受到机械力学的作用，产生的作用力会使齿轮出现相对滑动的状态，只是齿面出现点蚀、破坏性点蚀以及表面压碎等情况。齿轮齿面出现疲劳状态，故障状态表现为振动信号出现啮合频率、振动能量增大以及能量幅值增大等；第三，齿面胶合。齿轮受到高速重载的作用后，齿轮箱处在高温的状态下，此时，齿面受到高温的影响以及压力作用，会在齿面出现磨损等情况，并且在齿轮相对滑动的状态下，齿面未能进行充分的润滑，导致齿面出现胶合故障。

2.2.2转子不对中故障诊断

风力发电机作为大型机械设备，发电机组通常放置在离地面几十米的高空中，而且受到风力的作用，安装笨重的发电机组难度较大，无法保证转子精准的对中安装。若转子未能保持在对中状态，此时，发电机组在长期运行过程中，在风力以及运行高温共同影响下，齿轮箱内的阻尼器会出现变形，导致转子和轴承无法保持在对中状态，此时，发电站机组会出现不规律振动，致使前后旋转装置轴心无法保持在同一条直线状态，从而引发轴承出现故障。转子出现不对中的故障，除了安装难度较大以外，还由于以下原因导致的：第一，运动状态下的转子，会由于该变量发生的变化，导致从动转子与主动转子间，产生不同的动态情况；第二，承载转子轴承座出现不同的膨胀情况；第三，机壳出现变形或者位移情况；第四，发电机所处地基出现不均匀沉降；第四，转子出现弯曲情况，引发机组出现不平衡的旋转情况。

2.2.3滚动轴承故障诊断

在传动系统中，滚动轴承是重要的装置。滚动轴承一般由内环、外环、滚动体以及保持架构成。在发电机组内配置滚动轴承，是发挥滚动轴承具有的效率高、易于润滑以及摩擦阻力小等优势。但是，滚动轴承在使用过程中，会出现较大的噪音，同时，无法承受较大的冲击力。若滚动轴承出现故障，极易引发发电机组出现大范围的损坏情况。在对滚动轴承故障进行分析时，主要故障特征分为以下几个方面：第一，轴承内环出现剥落或者点蚀情况。使用频谱对内环进行检测，会出现较为明显的谐波变化；第二，外环出现剥落或者点蚀情况。使用频谱进行检测，此时故障特征为无变频、无调幅情况；第三，滚动体出现剥落或者点蚀情况时，在故障位置会出现明显的调制峰群特征；第四，保持架出现变形或者脱落。使用频谱进行检测，发现保持架出现特征频率以及谐波。此外，滚动轴承的故障形式分为以下几种，分别为疲劳剥落故障、磨损故障、裂纹和断裂故障以及压痕故障。

2.2.4发电机故障诊断

发电机出现故障，可分为定子绕组故障和轴承故障。出现定子绕组故障时，绕组出现破坏、磨损以及裂纹等情况，此时绕组无法提供绝缘功能。出现轴承故障时，不同部分的故障会产生不同的振动信号，以转子不对中为例，会将这类问题归纳为偏心故障。此外，转子和定子是由轴承支撑，轴承会承受较大的径向负荷，在较大的荷载作用下，导致轴承出现故障。通常情况下，轴承会出现内外圈损坏、点蚀以及磨损等情况，而且轴承在振动状态下，会提升出现故障的概率。

3结语

综上所述，风力发电机组出现故障时，需要以科学的角度判定引发风力发电系统出现故障的原因。一旦风力发电机组出现故障，工作人员应对机组内的传统系统进行充分的分析，逐一排查系统内不同装置存在的故障因素。但是，受到故障诊断条件的影响，只能通过理论依据以及试验等方法，对发电机组内齿轮箱轴承出现的故障进行模拟分析，还未能通过在线测试的方法获得准确的数据。在对齿轮箱轴承故障进行分析时，应以复合故障诊断和混合智能故障诊断等技术，作为检测故障的方法，有助于提升检测效率，高效处理轴承出现的故障。

参考文献：

[1] 王朝晖, 崔厚玺. 应用倒频谱分析法对风力发电机组齿轮箱故障诊断

[2] 符智, 郭波江. 风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断研究

[3] 刘成浩, 马瑀泽. 风力发电机组齿轮箱振动测试及分析