風力發電機組齒輪箱軸承故障診斷分析
2024-01-02 10:49:16
在風力發電機組的傳動系統中，齒輪箱是一個重要的部件，軸承是直接決定齒輪箱能否正常工作的關鍵設備，由于軸承長期處于滾動狀態，會發生故障，導致發電機無法正常運行，嚴重時會大大影響電網的使用壽命。本文重點分析了風力發電機組齒輪箱軸承的故障診斷，為解決齒輪軸承故障的方法提供了參考。
齒輪箱中的軸承具有傳遞運動、扭矩和速度變化的功能，軸承一旦發生故障，將嚴重影響變速箱的正常使用，60%的齒輪故障是由齒輪故障引起的，在這個階段，當診斷齒輪箱的故障時，使用振動方法、油分析方法和混沌系統，當變速箱進入運行狀態時，變速箱中的部件，包括軸、齒輪、軸承和其他部件，都將處于振動狀態，受振動影響，軸承表面會出現點蝕，或因高溫、軸表面磨損等原因導致軸承失效，嚴重影響發電機組的正常運行。
一、齒輪箱故障分析方法
當變速箱出現故障時，需要工作人員進行全面分析，主要分析齒輪齒形誤差、箱體共振、軸承點蝕、高溫、軸面磨損、轉軸彎曲等。通過深入了解變速箱的故障特征，工作人員應按照故障分析標準，使用加速度時域分析、頻域分析等方法，收集變速箱在振動下發出的信號，以齒輪箱的平均振動能量和時域峰值等參數為研究對象，判斷齒輪箱的整體振動。采用速度時域分析方法，對齒輪箱的平均振動能量、時域信號峰值等參數進行診斷，以確定齒輪箱故障的原因，頻譜分析法是檢測齒輪箱振動時齒輪外圈的嚙合頻率、加速度信號和固有頻率，從而找出齒輪箱故障的原因。目前，齒輪箱的故障分析通常是在工業現場環境中進行的，為了獲得更準確的故障分析數據，通常會檢測齒輪的癥狀狀態，并真實反映齒輪故障的位置和影響范圍，為工作人員提供必要的參考，從而采取有針對性的措施解決齒輪箱的故障。
二、風力發電機驅動系統典型故障的診斷
1、風機驅動系統結構診斷
目前，發電機和機械傳動系統是風力發電機組系統的重要組成部分，承擔著穩定發電機組正常運行的功能，在風力渦輪機中，齒輪箱、發電機和軸承在振動條件下會經常發生故障，尤其是容易發生點蝕、軸表面磨損和其他故障的軸承。在高溫環境下，齒輪的使用壽命會縮短，此外，作為風力發電機提供動能的關鍵設備，齒輪箱、軸承、聯軸器等部件都會受到不同程度的載荷影響，容易導致傳動系統在不同載荷下發生故障。
在風力發電機組的運行狀態下，在驅動系統的驅動下，風能被轉化為機械能，然后機械能被輸送到發電機，最終產生電能，傳動系統主要由主軸、聯軸器、高速軸等裝置組成，每個裝置都有不同的結構，在運行條件下軸承故障的位置、影響范圍和性質也不同。主軸是連接風輪和齒輪箱的關鍵裝置，當風輪旋轉時，能量通過扭矩的變化傳遞到齒輪箱，在齒輪箱的驅動下，產生的軸向力會作用在其他裝置上。聯軸器是將兩個不同設備相互連接的部件，當聯軸器旋轉時，它將驅動另外兩個裝置一起旋轉，在不同運動狀態下產生的動力要求聯軸器具有緩沖和阻尼等功能。聯軸器通常由一根主動軸和一根從動軸組成，高速軸是連接增速齒輪箱和發電機的裝置，高速軸保持在高速狀態，可以驅動發電機高速旋轉產生電能。
2、風力發電機組傳動機構典型故障診斷
將風能轉化為電能通常需要風力渦輪機在全年強風等惡劣環境中運行，設計風力渦輪機時，最低溫度設定為-20°C，然而，許多地區的最低溫度將低至-40°C，風力渦輪機還需要承受強風，這將增加機組的負荷，很容易導致傳動系統故障，特別是在機械傳動裝置中，軸承會出現點蝕或軸表面磨損等故障，如果工作人員未能及時解決故障或未能更換故障部件，故障范圍將繼續擴大，最終導致風力發電機組損壞。
3、變速箱故障診斷
齒輪、滾動軸承和軸等零件是變速箱的重要部件，在分析齒輪、滾動軸承和軸的故障時，通常使用振動信號的頻率特性和故障特性來確定齒輪箱故障的原因，在風力渦輪機的運行過程中，它通常保持相對較高的速度，一旦發生故障，變速箱中的零件將發出噪音，并伴有不規則的振動，工作人員在檢測振動信號產生的時域、頻域和振幅時，會得到大量的故障數據，最明顯的是齒輪故障和滾動軸承故障數據，一旦風機的運行速度增加，就會出現上述故障。
風力渦輪機通常安裝在風大的環境中，通常安裝在荒野和島嶼等惡劣地區，風產生的負載具有不規則的特性，并會在瞬間對風力渦輪機產生強烈影響，從而可能導致風力渦輪機出現故障，目前，風力渦輪發電機的最高速度可以高達每分鐘1500轉，在長期高速運行過程中，變速箱會產生高溫和熱量，同時，在負載的作用下，會導致變速箱發生故障。目前齒輪箱常見故障有局部故障和分布故障，局部故障包括齒輪損傷、彎曲疲勞等，分布故障分為齒面磨損和軸承損傷。失敗的形式包括以下幾種，一是齒輪斷裂。齒輪受到周期性應力后，根部會出現裂紋，經過長期載荷后，齒輪會斷齒；二是齒輪齒面疲勞，齒輪箱在運動時，受到機械力學的影響，產生的力會使齒輪相對滑動，但齒面出現點蝕、破壞性點蝕和表面擠壓，齒輪的齒面出現疲勞狀態，故障狀態表現為振動信號的嚙合頻率、振動能量的增加、能量振幅的增加；三是齒輪膠合，齒輪承受高速重載后，齒輪箱處于高溫狀態，此時，齒面受到高溫高壓的影響，齒面會磨損，當齒輪相對滑動時，齒面潤滑不足，導致齒面膠合失效。
4、轉子錯位故障診斷
風力渦輪機作為一種大型機械設備，通常放置在離地面幾十米的空中，并受到風的影響，安裝體積龐大的發電機組很困難，也無法確保轉子的準確對中，如果轉子不能保持在對中狀態，此時，在發電機組的長期運行中，在風和高溫的共同影響下，齒輪箱中的阻尼器會變形，導致轉子和軸承無法保持對中狀態，此時，電站機組會不規則地振動，導致前后旋轉裝置的軸線無法保持同一直線狀態，從而導致軸承失效。除了安裝困難之外，轉子的錯位還有以下原因，一是處于運動狀態的轉子會因該變量的變化而發生變化，導致從動轉子和主動轉子之間存在差異；二是軸承轉子的軸承殼體的不同膨脹；三是套管的變形或位移；四是發電機所在地基的不均勻沉降；五是轉子彎曲，觸發機組發生不平衡旋轉。
5、滾動軸承故障診斷
在傳動系統中，滾動軸承是一個重要的裝置，滾動軸承通常由內圈、外圈、滾動元件和保持架組成，發電機組中滾動軸承的配置是為了利用滾動軸承的高效率、易于潤滑和低摩擦阻力。但是，在使用滾動軸承的過程中，會有更大的噪音，同時，它們無法承受更大的沖擊，如果滾動軸承發生故障，很容易對發電機組造成大面積損壞。在滾動軸承故障分析中，主要故障特征分為以下幾個方面，一是軸承內圈有剝落或點蝕現象，利用頻譜來檢測內環，會有更明顯的諧波變化；二是外圈有剝落或點蝕現象，利用頻譜進行檢測，故障具有無變頻、無調幅的特點；三是當滾動元件剝落或凹陷時，故障部位會有明顯的調制峰群特征；四是保持架變形，使用頻譜來檢測并發現籠具有特征頻率和諧波。此外，滾動軸承的失效形式分為以下幾種，即疲勞剝落失效、磨損失效、裂紋和斷裂失效以及壓痕失效。
三、結論
總之，當風力發電機發生故障時，有必要從科學的角度確定風力發電系統故障的原因，一旦風力發電機發生故障，工作人員應對發電機中的傳統系統進行全面分析，并逐一調查系統中不同設備的故障因素。然而，受故障診斷條件的影響，對發電機組中齒輪箱軸承的故障模擬分析只能采用理論依據和測試方法，還沒有通過在線測試方法獲得準確的數據，在分析齒輪箱軸承故障時，應使用復合故障診斷和混合智能故障診斷等技術作為檢測故障的方法，這將有助于提高檢測效率，高效處理軸承故障。
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