基于振动测试和内窥镜检查综合分析风电齿轮箱运行状况的研究 - 副本

摘要：依据风电机组传动链振动测试和齿轮箱内窥镜检查经验，总结了齿轮箱齿轮和轴承的常见失效形式，并对各失效形式进行了分析；介绍了齿轮箱振动测试及分析机理；阐述了齿轮箱内窥镜检查注意事项；用实际案例说明了以振动测试和内窥镜检查相配合的检测方式在风电齿轮箱检测中的优势，为准确评估齿轮箱运行状况提供了参考依据。关键词：风电齿轮箱；振动测试；内窥镜检查1、前言一般情况下风电机组质保期为2-5年，随着时间的推移，出质保期机组数量会随之增多，越来越多的风电机组需要运营维护及保养。由于双馈型风电机组中齿轮箱结构复杂，且极容易发生故障，因此，在机组出质保期前，风电场业主都会要求对机组齿轮箱进行振动测试和内窥镜检查，以获知齿轮箱实际运行情况和是否满足出质保期要求。目前，风电机组齿轮箱振动水平评价的参考标准主要有德国工程师协会的导则VDI3834-2015《风电机组及其部件的机械振动测试与评估》及我国国家能源局2011年颁布的NB/T31004-2011《风力发电机组振动状态监测导则》，但只有VDI3834给出了各振动部件的振动标准值以供参考，因此，如何快速、有效地对齿轮箱进行真实的状态评估，给测试和分析工程师提出了新的要求。本文介绍了风电机组齿轮箱中齿轮和轴承的常见故障及原因，以案例形式展示了利用振动测试和内窥镜检查相配合的齿轮箱检查方法的优势，旨在为风电机组齿轮箱检查和评估提供参考方法。2、齿轮箱齿轮及轴承常见故障及原因分析齿轮和轴承是风电机组齿轮箱传递运动的主要旋转类零部件，齿轮故障和轴承故障是齿轮箱故障的主要形式，在对风电齿轮箱进行内窥镜检查时，常见的齿轮故障有齿面磨损、齿面擦伤、齿面微动锁止痕、齿面锈蚀、齿面点蚀及断齿等，常见的轴承故障有轴承磨损、滚动体表面剥落、轴承跑圈等。2.1齿轮故障1）齿面磨损、擦伤磨损是齿面耗损的一种迹象，是当两个表面作相对滑动时出现材料移失的一般性术语。磨损包括润滑剂中杂质的磨粒作用所导致的材料移失。由于润滑剂中杂质或坚硬颗粒物的存在，齿轮在运转过程中，在齿面滑动方向上将造成细微沟痕或沟槽。齿面严重擦伤时，在齿面滑动方向上会发现直线形沟槽，类似于“起脊”产生的沟槽。

图1齿面磨损

图2齿面严重擦伤齿面磨损、擦伤主要是由于润滑油含有杂质、坚硬颗粒、铁元素或其他元素等造成，可通过对油样进行检测获知润滑剂工作状态，通过内窥镜检查获知齿面磨损、擦伤情况。2）齿面微动锁止痕风电场处于小风、无风季节或机组故障停机时，机组常会处于停机状态，叶轮在风力荷载的作用下，造成齿轮箱各齿轮齿面啮合处始终在一个很小的范围内左右晃动，加之润滑不良及环境温度的变化，在啮合区域位置上最终造成齿面磨损痕迹或沟痕，常称作齿面微动锁止痕或齿面啮合黑线。图3齿面微动锁止痕（啮合黑线）图4齿面锈蚀由于微动锁止痕的存在，使齿面在啮合过程中出现不连续现象，造成齿轮传动精度下降，且产生振动、冲击及噪声，减少齿轮箱使用寿命。预防产生微动锁止痕的措施主要是尽量避免风机长时间处于停机状态，并在风机停转时半小时启动一次油泵，保证齿轮箱各齿面啮合处有充分的润滑。3）齿面锈蚀齿轮箱在非运转过程中，由于润滑不到位及齿轮箱内环境温度的变化会在齿轮箱内部产生冷凝水，这些水分积聚在齿轮齿面上，最终造成齿面上出现不同程度褐红色铁的氧化物，即齿面锈蚀。齿面锈蚀部分在参与啮合过程中，氧化物会随着啮合齿面间的摩擦作用脱落到润滑剂中，造成润滑剂污染及颗粒物增多，进而加剧对其他齿面的损坏。因此，在机组日常维护过程中，要关注干燥剂的变色程度，对吸水饱和或接近饱和的干燥剂及时进行更换。4）齿面点蚀齿面点蚀是齿轮故障的一种严重形式，是齿面在啮合过程中，由于力的反复作用，在表面和次表面产生应力而导致的材料损伤，其特征为齿面金属材料的移失并在齿面上形成一些凹坑。齿面发生点蚀的主要原因是齿面疲劳强度不足所致，另外齿轮材料、加工工艺及精度较差、润滑不良、油温过高等均能导致齿面点蚀。

图5齿面点蚀

图6断齿5）断齿断齿是齿轮最严重的失效形式[4]，也是引起振动和噪声异常的主要原因。齿轮断齿主要有过载断齿、疲劳断齿以及随机断裂等形式。齿轮出现断齿失效后，必须进行更换，以免造成齿轮箱卡死，无法运转，增加维护成本。2.2轴承故障1）轴承磨损轴承磨损是指在使用过程中，两个滑动或滚动/滑动接触表面的微凸体相互作用造成材料不断移失的现象。齿轮箱中润滑剂清洁度较差、润滑不良、或有异物进入轴承工作面时，将在轴承内圈、外圈或滚动体相互作用下引起各表面产生沟槽状磨损。图7滚动体磨损

图8滚动体表面剥落2）滚动体面剥落滚动体面剥落是轴承疲劳失效的严重形式。在轴承载荷过大，异物进入、润滑不良或齿轮箱精度较低等情况下，滚动体表面易产生小片状剥落现象，最终造成成片剥离滚动体表面现象。3）轴承跑圈轴承跑圈是滚动轴承与其配合和的轴或孔发生了相对滑动。轴承发生跑圈时，其温度偏高，振动变大，并会加剧其配合零件的磨损，甚至报废，降低传动效率。出现轴承跑圈情况，应根据实际情况，尽快安排检修。在进行齿轮箱内窥镜检查时，可通过观测齿轮和轴承是否有磨损情况来判断是否存在跑圈现象，如图9所示。图9轴承跑内圈3、齿轮箱振动测试及分析机理齿轮箱中各齿轮和轴承的故障都将以振动的形式表现出来。通过齿轮的啮合频率可判定故障发生的具体部位，但在实际的振动测试过程中，齿轮的啮合频率时常伴随有特定幅值的且与齿轮或其啮合齿轮转速相关的边频带，增加了啮合频率识别的难度。风电机组中齿轮箱齿轮振动频谱分量主要包括低速齿轮旋转频率、高速齿轮旋转频率、齿轮啮合频率；低速齿轮边带频率、高速齿轮边带频率、齿轮重复频率和齿轮组合状态通过频率。对滚动轴承故障的识别，主要是利用频谱分析（FFT）、包络谱分析、倒谱分析、小波分析等分析手段对所测得的振动数据进行识别，获取轴承内环故障频率、外环故障频率、保持架故障频率、滚动体旋转故障频率。4、齿轮箱内窥镜检查注意事项当齿轮箱有异常运行噪声、维修时发现滤芯里存在铁屑、油品化验结果显示指标异常、齿轮箱异常振动及整机出质保时，为了掌握风电机组齿轮箱的运行健康状态，均需对机组齿轮箱进行内窥镜检查。为了便于齿轮箱内窥镜检查，防止意外事故发生，在检查过程中需要注意以下事项。1）了解目标齿轮箱的内部结构配置，提前做好工具等准备。为了保护观测孔盖板锁紧螺栓不受损坏，尽量利用套筒对螺栓进行拆卸。2）拆除观察孔处的锁紧螺栓后，将其放置在干净且安全的位置，切勿被污染，更勿意外掉进齿轮箱内部。3）在挪开观察孔处盖板之前，用抹布擦干净齿轮箱表面油漆等杂物，以防止掉进齿轮箱内部。4）进行检查前，清空上衣口袋里的个人物品，以防意外掉落进齿轮箱。5）打开观察孔后，等待30分钟左右，待齿轮箱油蒸汽散尽后再开始检查。6）进行齿轮箱检查时，检查人员必须佩带防毒面具，且佩带无纺手套，以免化学纤维掉落进齿轮箱内部。7）检查时，可用适合内窥镜线径的铝塑管或专用套管协助进行检查。8）检查完毕恢复观察孔端盖，必要时涂抹密封胶，以防止湿气或盐雾进入。9）观测孔盖板上若有离线滤芯油管，检查完毕后切记恢复，以免造成齿轮箱漏油。10）拆卸过程中，如观察孔上的锁紧螺栓掉漆，则在完成检查后，对恢复后的锁紧螺栓进行补漆处理等。5、振动测试和内窥镜检查相互配合的优势常见的风力发电机组齿轮箱结构有一级行星+二级平行和二级行星+一级平行结构，由于齿轮箱结构复杂，运行工况多变，在对其进行振动测试时，振动信号容易受到强背景噪声的影响，且每个振动测点中的频率成分均包含多个齿轮和轴承的频率成分，频率成份较复杂，无法通过快速的方法来识别齿轮箱工作状态。利用工业内窥镜可对齿轮箱进行直观的检查，且有效识别检查到的齿轮和轴承的实际状况，但由于内窥镜视野局限性及齿轮箱结构的复杂性，给内窥镜检查增加了难度。依据长期风电机组齿轮箱振动测试和内窥镜检查经验，采用先对齿轮箱各测点进行振动测试，根据VDI3834推荐的振动标准值为参考识别各测点振动状况，再利用工业内窥镜对超过对应报警值或危险值的部位进行全面检查，可有效、快速地获知对应部位现状，了解齿轮箱实际健康状况。2017年3月，在对某风场MD77型齿轮箱进行专项检查时，依据MD77型齿轮箱内齿圈旋转的结构特点，首先对齿轮箱进行了振动测试，通过振动测试，得知内齿圈径向振动加速度有效值（10Hz~2000Hz）超过值VDI3834对应的推荐值，但由于内齿圈转速较低，在时域图上未见明显冲击信号，在频谱图上未见明显异常，无法快速识别出内齿圈是否存在故障。停机后针对内齿圈振动超限情况，对其进行了内窥镜全面检查，发现多个齿面存在剥落情况，且一颗轮齿发生断齿。利用振动测试和内窥检查相结合的方式有效、快速地识别出了齿轮箱内齿圈断齿故障。图10内齿圈径向测点时域图图11内齿