风力发电机组齿轮箱的故障及其分析

XX 职 业 技 术 学 院毕业设计（论 文）2010 级 风能与动力技术 专业题 目： 风力发电机组齿轮箱的故障及其分析 毕业时间： 二 O 一 三 年 六 月 学生姓名： X X X 指导教师： X X X 班 级： 10 风电（1）班 2012 年 12 月 20 日酒泉职业技术学院 2013 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名 张 晓 班级 10 风电（1）班 专业 风能与动力技术指导教师第一次指导意见 年 月 日指导教师第二次指导意见 年 月 日指导教师第三次指导意见 年 月 日指导教师评语及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日答辩小组评价意见及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日教学系毕业实践环节指导小组意见 签字（盖章） 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见 签字（盖章） 年 月 日目 录一、绪论 .1(一)风力发电机组齿轮箱故障诊断的意义 .1二、风力发电机组齿轮箱的故障诊断 .2（一）风力发电机组齿轮箱的常见故障模式及机理分析 .2（二）齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略 .6（三）针对齿轮箱不同故障的改进措施 .9三、结论 .12参考文献: .12致 谢 .131风力发电机组齿轮箱的故障及其分析摘 要:随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力，能源问题和环境污染日益突出。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源，因其使用便捷、可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展。风力发电己成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故，造成巨大的经济损失。本论文先探讨了课题的实际意义以及风力发电机常见的故障模式，在这个基础上对齿轮箱故障这种常见故障做了详尽的阐述，包括引起故障的原因、如何识别和如何改进设计。通过对常见故障的分析，给风力发电厂技术维护提供故障诊断帮助，同时也给风电设备制造和安装部门提供理论研究依据。关键词:风力发电机;故障模式;齿轮箱;故障诊断一、绪论(一)风力发电机组齿轮箱故障诊断的意义风电对缓解能源供应，改善能源结构、保护环境和电力工业的持续发展意义重大。这些年来，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，风力发电机的故障也成为一个不容忽视的问题。随着风电机组运行时间的加长，目前这些机组陆续出现了故障（包括风轮叶片、变流器、齿轮箱、变桨轴承，发电机、以及偏航系统等都有），导致机组停止运行。当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故。风电机组的部分部件一旦损坏，在风电场无法修复，必须运到专业厂家进行修理。因其维修费用高、周期长、难度大，势必给风电场造成巨大的经济损失，严重影响了风电的经济效益。风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压的偏差、电压的波动和闪变、谐波以及周期电压脉动等。当风电机组发生故障时，输往电网的2有、无功功率发生波动，且造成电网的谐波污染和电压波动。伴随的危害有照明灯光的闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工作状况等。风电机组的故障也会导致风力发电机从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会导致电网电压的突降，而机端较多的电容补偿高于脱网前风电场的运行电压，引起了电网电压的急剧下降，从而影响接在同一个电网上的其它电气设备的正运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。风力发电机组因为长期工作在野外、暴晒和雷雨等恶劣环境中，其损坏率高达40-50。同时，由于风力发电设备的维护技术跟不上风力发电的发展速度，一旦其关键零部件(如齿轮、轴承、叶片等)发生故障，将会使设备损坏、发电机停机，带来严重的经济损失。例如,2006 年，德国北部奥尔登堡的一台风力发电机的转子叶片被强风刮断,长达 10 米的沉重碎片飞到 20 米远的田地里，造成了严重的事故;2007 年，荣成市港西镇附近的风力发电机因齿轮油泄漏，导致其周围 5.07 亩的海参饲养池受到污染，造成海参大量死亡。风机维护主要分为定期检修和日常排故维护两种方式。定期的维护保养可以让设备保持最佳状态，并延长风机的使用寿命，是重要的维护方式。但是定期维修可能存在维修不足、维修过剩的问题。日常排故维护是在风机出现故障时及时去现场进行设备检修，为了避免因故障造成意外停电，还要求维护人员能够实时监测风机的运行状态并预测、诊断故障。随着野外装机规模的不断扩大，风力发电机系统的故障诊断也就显得越来越重要了。风力发电系统主要由将风能转换为机械能的风力机和将机械能转换为电能的发电机两大部分组成，其中发电机是整个系统的核心，直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，同时也是系统中易发生故障的部分。由于风力发电机受到的风场切片风复杂多变，且长期工作在野外、暴晒和雷雨等的恶劣环境中，易发生多种机械或电气故障。因此开展对风力发电机故障诊断的研究，及时发现系统的早期故障并进行维修，提高风力发电机组运行的可靠性，对保证风力发电机的正常安全运行具有重大的实际意义。二、风力发电机组齿轮箱的故障诊断（一）风力发电机组齿轮箱的常见故障模式及机理分析风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，它安装在距地面几十米高架3塔之上狭小的机舱内，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速，它的正常运行关系到整机的工作性能。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。齿轮箱系统一般包括齿轮、轴承、轴和箱体4部分。其零部件如齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂，装配精度高，再加上风力发电机常常在高速重载荷下连续工作，而其状态的好坏往往直接影响到机械设备的正常工作，故对齿轮传动系统进行诊断是故障诊断技术问世以来一直受到人们普遍重视的课题之一。风电技术的快速发展和单机容量的增加，使得风力机的规模越来越大，对其性能的要求也越来越高。随着大重型机组的投入运行，齿轮箱的故障频率也随之增加。据统计，一台风力机故障停机时间的20%是由齿轮箱故障引起的。一旦齿轮箱出现问题，除了高额的维修费用，长时间停机造成的发电量损失也是巨大的。风力发电机组齿轮箱常见故障按发生部位分主要有齿轮损伤，轴承损坏，断轴等。齿轮损伤主要包括：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。轴承损坏主要包括磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效、胶合失效。轴的故障主要有轴弯曲，轴向窜动，轴不对中等。1.齿面磨损齿轮的磨损部位主要是齿的啮合和渐开线工作面以及齿轮两端平面。磨损一般包括四种。第一种是正常的磨损或磨光它是由接触表面上的金属以一定的速率缓慢的损耗，在齿轮的预期寿命内它对正常的使用将不影响。第二种是中度磨损，它可能产生于重负荷的轮齿，是金属的较快的损耗。该种磨损一定产生破坏, 也会降低使用寿命,并可能加大噪音。第三种则是破坏性磨损，它是齿面的损伤、损坏或由于磨损而造成齿廓的变化以至于达到非常严重的程度, 显著的降低齿轮的寿命,平稳性也将受到破坏。第四种是磨料性磨损，它是角于在轮齿的啮合中进入细颗粒而引起损坏。这种颗粒可能是来自铸造后遗留的砂或片落，齿轮箱中未清除的污物, 油中或空气中的杂质以及轮齿表面或轴承剥下的金属颗粒。根据不同的磨损机理，可将齿轮的磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。磨粒磨损主要是梨沟和微观切削作用,粘着磨损与表面分子作用力和摩擦热密切相关。疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果,而腐蚀磨损则是由环境介质的化学作用产生。在实际的磨损现象中，4通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。轮齿磨损使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。2.胶合和擦伤对于重载和高速传动的齿轮，齿面工作区温度很高，一旦出现润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象。对于重载和高速齿轮的传动，一旦润滑条件不良，由于齿面工作区温度很高，齿面间的油膜就会受到影响甚至会消失，长时间工作之后，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，这样就会在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。3.接触疲劳与点蚀齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面的深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，在接触表面会产生疲劳裂纹，并随着裂纹的扩展，最终导致齿面剥落细小金属片，在齿面上形成小坑，称之为点蚀。当点蚀现象严重时可连成片，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。疲劳裂纹的产生是由于齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，从而产生脉动载荷，进而产生剪应力，这种力使齿轮表面层深处产生脉动循环变化使齿轮表面层深处产生脉动循环变化，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生裂纹。在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤，其表现形式有破坏性点蚀、早期点蚀、齿面剥落、和表面压碎等。特别是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位出现，并且不断扩展，使齿面严重损伤，磨损也会加大，最终导致断齿失效。正确进行选择好材质，齿轮强度设计，选择合适的精度配合，提高安装精度，保证热处理质量，改善润滑条件等，是解决齿面疲劳的根本措施。4.弯曲疲劳与断齿5在齿轮运行过程中，承受传动载荷的轮齿如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会产生根部裂纹，并逐步扩展，当剩余轮齿无法承受载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。根据裂纹扩展的情况和断齿原因。断齿包括过载折断（包括冲击折断）、疲劳折断以及随机断裂等，断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。疲劳折断发生从危险截面（如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。其根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用，在疲劳折断的处，是贝状纹扩展的出发点并向外辐射。产生的原因有很多，主要是材料选用不当、齿轮精度过低、热处理裂纹、磨削烧伤、齿根应力集中等等。因此在设计时需要考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有轴承损坏、突然冲击、超载轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。断齿断口有两种形式，一种呈放射状花样的裂纹扩展区，一种是断口处有平整的塑性变形，断口副可以拼合。仔细检查可看到齿面精度太差，材质的缺陷，轮齿根部未作精细处理等。在设计中应采取必要的措施，充分考虑预防过载因素。安装时防止箱体变形，防止硬质异物进入箱体内等等。5.其它故障断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。究其原因是在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。因而对轴上易产生的应力集中因素要给予高度重视，特别是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处不允许有切削刀具刃尖的痕迹，光洁度要求较高，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构也不能过分降低轴的强度。保证相关零件的刚度，防止轴变形，可以提高轴的可靠性。轴承在运转过程中，由于安装、润滑、维护等方面的原因，套圈与滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，而产生裂纹、点蚀、表面剥落等缺陷，使轴承失效，从而使齿轮副和箱体产生损坏。风力发电厂一般处在远离居民住宅的偏僻地区，且风力发电机无外在保护设施。这种特殊的环境对齿轮箱的正常运行具有不良的影响，下面主要从风场气流和温度这两个方面分析环境对故障产生的影响。6风场气流的影响：风场气流的不稳定性使得风力发电机组齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作，由于风速和风向随机变化，导致齿轮箱载荷也随之波动。对于齿轮的啮合表面和轴承的滚动表面，这种交变应力的作用会使其表层材料出现疲劳，然后出现微观裂纹，设备长时间运行会加速裂纹的产生并导致剥落，点蚀、麻点、凹坑等损伤，即为疲劳磨损。同时，交变载荷会引起齿轮箱的微小振动，在微小振动的激励作用下，接触表面互相摩擦，撞击、挤压，会引起表面划伤、咬死等现象。风载荷的大小随机变化，会出现过载荷的循环作用，导致齿轮出现弯曲疲劳而造成断齿，轴承内外环与滚动体接触表面在交变载荷反复作用下出现小裂纹，裂纹逐渐扩大，产生麻点，最后大面积剥落，使齿轮和箱体损坏。在过载或交变应力载荷作用下，易发生断轴故障。当载荷超过应力极限时会出现轮齿因过载而折断的现象，在过高交变应力载荷作用下，出现疲劳折断。气温的影响：季节交替、昼夜温差大的环境中，外界气温会对齿轮箱正常运行带来不利影响。风力发电机组的齿轮箱受润滑不充分、气温低、润滑剂过热提前失效等因素影响，故障率非常高。当气温较低时，齿轮箱润滑油变稠，黏度变低，甚至凝固，齿轮(尤其是采取飞溅润滑的齿轮)润滑不良，会导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而出现胶合、点蚀等损坏。而且材料自身在低温下的机械特性会发生变化，即变脆，导致齿轮在运行时出现裂纹而产生破坏。当气温较高时，由于齿轮箱在动力传递的过程中会使油温进一步升高。油温的升高会降低润滑油黏度，使油膜厚度变薄，更容易使油渗入齿面裂纹进行挤压，加速裂纹的扩展，从而导致齿面金属小微粒剥落，即齿面点蚀。当摩擦生热继续增大，齿面工作区温度达到很高，致使齿面间的油膜破裂，造成齿面金属粘连；齿面继续滑动会使较软齿面金属沿滑动方向被撕下，即出现齿面胶合故障。（二）齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略随着大批大型风力发电机组的并网发电，大型风力发电机的运行引起了很多新问题，如主轴载荷、叶轮转速和齿轮箱的增速比等。 同时由于载荷的增加不再像小风机那样拆装容易，因此一旦出现故障, 将会对发电造成很大的影响。特别是大型风力发电机造价昂贵，一旦发生严重事故，将会造成巨大的经济损失。齿轮箱中7的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，振动信号是齿轮箱故障特征的载体。通过对振动信号的采集分析，可以确定故障的准确位置，大大减少风力发电机的维护成本。对齿轮箱和主轴信号的采集是通过振动传感器来实现的。在风力发电机正常运行时进行信号采集，