风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断与排除优化探讨.docx

风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断与排除优化探讨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。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。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。风力发电机组传动系统典型故障诊断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。齿轮箱齿轮箱、发电机测点分布图图1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。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。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障数据，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。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。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。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。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。风力发电机齿轮箱轮齿断裂原因分析1 .故障原因的初步判断通过对风力发电机组中破坏的齿轮箱进行插接后看出，一个行星齿轮断裂成为4块，具体情况如图1所示。通过查看齿轮箱的损坏情况能够看出，造成行星齿圈损坏的最主要问题在于发生断裂情况后由于传动载荷不够均匀还有就是断裂的齿轮发生了错位等。所以造成齿轮箱损坏的最直接原因在于行星轮发生了断裂。图1齿轮损坏情况通过对行星齿轮破损的4块碎片进行仔细检查后可以发现，齿轮的八个断面中有六个断面(AF)存在疲劳裂纹扩展的痕迹，这六个断面上的疲劳断裂痕迹区域的几何形状都存在或多或少的差异，能够看出每一个疲劳裂纹扩展的速度都是存在差别的，造成这一差别的主要原因在于裂纹源附近承受的应力状态不一样。但是这些疲劳裂纹扩展区域存在一个相似点，就是区域中都会存在一个相同的几何形状-半椭圆形，这一形状的圆心点通常处在沟槽的附近，能够看出这一位置的应力集中要比其他位置严重。2 .试验与分析2.1 化学成分分析通过选择齿轮的中间部位进行取样分析，将齿轮表面渗碳等加工工艺参数影响忽略不计，通过化学分析得到表1。表1齿轮材料化学成分0.220.60.<M0.018().WUOM0.560.430.12通过得到的检测结果能够看出受损的齿轮箱化学成分同生产厂家提供的标准相似，属于接近国标GBT30771999中牌号20CrNiMO的合金结构钢。但是在化学成分上还是存在一些差异，取样试验的材料中Mo的含量要比国标的含量高出0.2%-0.3%,成分高出规范的允许偏差值。M。元素在材料中的作用主要是将钢的淬透性有效地提高，同时将火脆性降低,材料使用过程中能够实现二次硬化,能够获得较好的渗碳效果和将齿面硬度明显提高。2.2 金相分析采取金相分析这种方法同化学成分分析方法具有相同的步骤，对于取得的试验首先进行机械加工和磨削工作，接着进行化学侵蚀步骤，通过金相显微镜得到金相图，具体情况见图2。能够看出取样的材料选择的合金钢组织形式为回马氏体组织，根据不同截面金相图的对比能够看出显微组织下基本都是相同的，这就表示受损的齿轮力学性能具有向同性。通过采取扫描电镜的方式分析非金属夹杂物，能够看出夹杂物造成的母材损失主要体现在以下几个方面，夹杂物的硬度、密度以及几何尺寸大小等几个方面。受损齿轮的夹杂物形状多为多边形和球状，尺寸的大小通常在2um左右，夹杂物中心的颜色呈现出较深的黑色，边缘呈现出较浅的灰色。在对脆性氧化物夹杂进行分析时，因为其弹性的模量比基体要大，所以在进行塑性加工工作时不能出现形变，因此容易出现应力集中的现象，故而成为裂纹比较容易产生的地方。但是要有效的处理这一问题就需要通过塑性比较好的硫化物对其进行包裹，只有这样才能有效的降低这一问题的出现。但是对该材料的疲劳性能的改善，却没有非常合适的办法。因为该硬质夹杂物是在软基体内部的，所以在外力的作用下会出现脱粘而出现裂纹，严重者会出现断裂现象。图2齿轮材料金相图片2.3 硬度检测与分析在对齿轮的硬度进行检验的时候通常会使用维氏的硬度计，并且在选择试验材料的时候还要选择齿轮齿尖附近的材料，通常材料加工工艺的影响都是由齿面的硬度来进行反应的，但是齿轮材料的实际硬度值通常是通过齿轮内部断面的硬度进行科学的反映的。所以为了有效的对齿轮的硬度进行科学的检测，就必须要对齿面以及齿的内部都进行科学的检测，在检测的过程中在对压头进行选择时一般会选择50N的菱形压头，并且要求锥体的两相对面的呈现136。夹角，此外在进行加载时，时间一般都限制在30秒，通过科学的检测，硬度的检测结果见表2、3o表2齿轮内部硬度测试结果HfI234$6ittH458456710.95474530165107276.M05550013表3齿面硬度测试结果金畀与1234s1H13”.991129.021401311490.061296.23通过科学的处理，通过上表我们可以看出经过硬化处理，齿面的硬度有了非常显著的变化，但是仍然存在一定的问题，就是在齿根的位置以及到齿顶的价置其硬度分布的不是非常均匀，出现这种问题的主要原因主要是因为齿面材料中的Mo的含量比较高，而且通过热力工或者渗碳等工艺导致的。所以导致最后的结果及日司经过硬化后的齿面虽然硬度有了一定的提升但是硬度却出现不均匀，而且如果是低速重载，最终出现磨损和裂痕的概率是非常高的。2.4 冲击试验与分析在对齿轮进行冲击试验时通常会使用夏比摆锤冲击方法，因为风机受到的温差比较显著，所以一般都会进行常温或者低温试验两种检测方式。其检测的材料通常也会选取断口处的材料，一般常温下的检测的温度会控制在25,而低温检测温度会控制在-30。通过试验可以得出，一般温度下冲击韧值为46.12Jcm2,与国家标准相比比较低。而低温冲击韧性值为24.09Jcm2,与国家标准相比也比较小，由此可以看出，在常温情况下的冲击韧性值与低温下的冲击韧性值相差很大，已经超过50%,但是实际的规定二者相差应该控制在20%o所以由此可以看出，在-30°C以下的工作环境中，冲击韧性是不能在这种环境中进行低速重载工作。3 .结论3.1 通过有效的分析可以看出，在化学成分方面，只有Mo成分比较高，因此轮齿的硬度也比较高，但是齿面的硬度分布确实不均匀的，在不能硬化或者应力过大的区域非常容易产生裂纹或者磨损；但是对于显微组织方面，因为材料中含有一定的非金属，而且还有一定杂物，所以其对齿轮的抗疲劳性非常不利。3.2 通过实验研究可以发现，齿轮的抗拉强度以及屈服强度、断裂延伸率等都满足力学的性能，但是因为齿轮的断裂韧性比较低，所以在受到冲击时或者处于疲劳状态下就非常容易产生断裂现象。风力发电机组齿轮箱的结构优化与故障预防一、齿轮箱的结构齿轮箱是风力发电机组的重要组成部分，其主要功能是将风轮转动的低速运动转换成高速运动，以提供足够的转速和扭矩给发电机。风力发电齿轮箱通常由输入轴、输出轴、齿轮组和润滑系统组成。1 .输入轴：输入轴是将风轮的低速旋转运动传递给齿轮组的部分，输入轴一般由高强度的合金钢制成，以承受高扭矩和高速运动的要求。2 .输出轴：输出轴是将齿轮组转动的高速运动传递给发电机的部分。输出轴通常由输入轴延伸出来，也采用高强度的合金钢材料制造。3 .齿轮组：齿轮组是风力发电齿轮箱的核心部分，它由多个齿轮组成，通过齿轮之间的啮合来实现传动效果。齿轮通常由合金钢制成，以承受高负载和高速度的工作要求。齿轮组一般包括主轴齿轮、中间齿轮和输出齿轮。主轴齿轮与输入轴相连，中间齿轮连接主轴齿轮与输出齿轮，输出齿轮与输出轴相连。4 .润滑系统：润滑系统是保证齿轮组正常运转的重要组成部分，它通常由油箱、油泵、油管和过滤系统组成，润滑油通过油泵被输送到齿轮组的运动部位，起到润滑和减少摩擦的作用，同时还可以冷却齿轮组，保持其正常工作温度。二、齿轮箱的工作原理齿轮箱是一种常见的机械传动装置，它通过齿轮咬合来实现动力的传递和转换。齿轮箱由齿轮、轴、轴承、油封等部件组成。其中，齿轮是齿轮箱的核心部件,它通过啮合来实现动力的传递和转换。齿轮箱的工作原理可以分为两个方面:一是齿轮的啮合原理，二是齿轮箱的润滑原理。齿轮箱的啮合原理是指当两个齿轮啮合时，它们之间会产生一定的力矩，从而实现动力的传递和转换。齿轮的啮合原理是指两个齿轮之间的啮合关系，当两个齿轮啮合时，它们之间会产生一定的力矩，从而实现动力的传递和转换。齿轮的啮合关系可以分为两种：一种是直齿轮啮合，另一种是斜齿轮啮合。直齿轮啮合是指两个齿轮的齿轮面平行，齿轮的齿数相等，齿距相等。斜齿轮啮合是指两个齿轮的齿轮面不平行，齿轮的齿数不相等，齿距不相等，齿顶和齿谷的宽度也不相等。齿轮箱的润滑原理是指齿轮箱内部需要润滑油来保证齿轮的正常工作。润滑油可以起到润滑、冷却、清洁和密封等作用。风机齿轮箱通常采用压力强制润滑方式。这种润滑方式通过油泵将润滑油从油箱送到各个润滑点，然后通过重力作用回流到油箱，实现循环使用。由于供油充分，润滑油的损耗非常少。此外，压力强制润滑方式还能带走热量，具有良好的冷却效果。因此，它广泛应用于大型、重型、高速、精密和自动化的各种机械设备上。齿轮箱的工作原理是基于齿轮的啮合原理和润滑原理。齿轮箱通过齿轮的啮合来实现动力的传递和转换，通过润滑油的润滑来保证齿轮的正常工作。齿轮箱在机械传动中起到了重要的作用，广泛应用于各种机械设备中。三、齿轮箱的故障诊断1.微点蚀是指齿轮表面出现微小的凹痕，形成一些微暗状的点状物。它主要与齿轮表面的粗糙度有关。微点蚀的形成原因包括频率的载荷、速度变化、齿面的粗糙度、油液清洁度和齿面硬度等因素。为了解决这个问题，我们需要采取以下措施：首先，必须确保润滑油的冷却和清洁，以保持其良好的工作状态；其次,监测润滑油的质量和颗粒度，并监测齿轮箱的振动和载荷变化情况。当齿面出现微点蚀时，可以通过重新磨齿来修复。2 .胶合是指在齿轮表面出现细条文状的痕迹，与轮齿的滑动方向一致，通常发生在齿面上。胶合的产生主要原因是由于高速重载导致齿面劣化、润滑失效以及齿面硬度不足等因素。预防胶合的措施和微点蚀类似,包括保持润滑油的质量,确保冷却和清洁度，并确保在啮合初期进行充分润滑。此外，监测齿轮箱的振动和载荷变化也是预防胶合的重要方法。3 .静止压痕的特点是在齿面形成细小的痕迹，这种痕迹是一种接触腐蚀，严重时周围还可能出现点蚀。另外，静止压痕的条纹状不太明显。在风机运维中，静止压痕是经常遇到的问题。最常见的情况是长时间停机后，如果某个部件损坏需要更换，在齿轮区域，两个齿之间会经常发生啮合。为了预防这种情况，必须在长时间停机时，在一定时间内对风力发电机组的传动链进行空转，以确保充分润滑并改变接触面。此外，如果齿轮箱长期存放在地面上，应该手动空转齿轮箱。对于较深的压痕，可以通过磨齿修复。要发现静止压痕，可以使用振动传感器进行监测。4 .齿轮断裂是风力发电齿轮箱的严重故障，通常是由于长时间承受过大负荷或遭受外部冲击而引起的。齿轮断裂会导致齿轮箱传动系统失效，进而导致机组停机。为了防止齿轮断裂，需要定期检查齿轮的磨损情况，并及时更换严重磨损的齿轮。预防断齿的主要措施包括定期监测油品质量、进行定期内窥镜检查、及时检查齿轮磨损情况，同时定期监测磁堵和磁性油标记。此外，在出现异常噪音和明显振动时，必须立即停机。另外，一旦发生齿轮断裂，只能进行更换，无法修复。5 .轴承损伤是一种常见的现象，主要发生在轴承的滚珠和滚道上。它表现为严重的磨损、静止压痕和滚珠的腐蚀等特征。造成这种损伤的原因主要是润滑不足，超过极限载荷以及不同型号润滑油之间互溶性差导致的化学反应。此外，长时间停机和存储也可能导致其他部件损坏引起碎屑问题。为了预防和修复轴承损伤，需要确保充分润滑，保证润滑油的质量，并按时进行油样检测。6 .齿轮箱的开裂主要集中在齿圈和壳体部位，其中一些开裂情况发生在箱体上。这种开裂的原因主要是由于齿轮箱承受的冲击载荷较大，风机转动产生的垂直轴向载荷也很高，此外，齿轮箱的箱体材料可能存在问题。为了预防和修复这种问题，我们需要定期检查齿轮箱的状况，一旦发现箱体开裂的情况，需要立即停机进行修复。齿轮箱的箱体是一个铸件，一旦损坏，修复时间较长。通常情况下，齿轮箱的运行时间都比较长，如果需要找到同样型号的齿轮箱，需要联系齿轮箱厂家，并与铸件供应商进行沟通。7 .锈蚀问题主要存在于齿轮箱的外部或内部。其形成原因包括箱体外部油漆脱落、齿轮箱长时间存放以及保养不当，同时也可能是箱体内部部件防锈油膜受损所致。为了预防和修复这一问题，建议定期检查齿轮箱的箱体和内部状况。如果发现外部出现锈蚀，需要进行补漆并去除锈蚀，如果发现内部出现锈蚀，可以进行抛光处理。8 .漏油的原因有多种，主要表现为齿圈和箱体结合处的渗透、高速轴和低速轴的泄漏，以及润滑冷却系统管路的渗漏。例如，齿圈和箱体螺栓松动、密封胶条磨损、盘根部磨损等问题都可能导致回油孔堵塞。为了预防和修复这些问题，可以定期更换空气滤芯，定期检查易漏油部位的情况，检查密封部位的胶条损伤，并确保所选用的型号没有问题。风力发电齿轮箱是风力发电系统中不可或缺的关键组件，其结构和工作原理关系着风力发电机的转速和功率输出。通过合理的设计和运行，可以保证风力发电系统的高效、稳定和可靠运行，为可持续发展提供清洁能源。