风力发电机组齿轮箱故障诊断
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设备管理与维修2019№4（下）风力发电机组齿轮箱故障诊断邓自波（国家电投宁夏能源铝业中卫新能源有限公司，宁夏中卫755000）摘要：随着运行时间的增加，风力发电机组的齿轮箱故障问题日益突出，分析风力发电机组的发电原理，列举风力发电机组齿轮箱的典型故障，提出风力发电机组齿轮箱故障防控举措。
关键词：风力发电机组；齿轮箱；故障诊断中图分类号：TK83文献标识码：BDOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2019.04D.990引言风力发电机安装地点一般都安排在风力较大的地方，如海边、山顶及无障碍物的沙漠等，工作环境比较恶劣。
风力发电机组的齿轮箱结构复杂精密，在不同工况中的振动情况也比较复杂，相比较于其他部件，容易出现故障（齿轮箱故障占风机故障的1/5）。
由于风机的地理位置比较偏，齿轮箱高度较高，一旦齿轮箱出现故障，很难进行及时修复。
1风力发电机组齿轮箱结构（1）风力发电机组齿轮箱结构。
主要包括齿轮箱箱体、齿轮传动部件、轴承及配套的润滑系统。
传动部件包含行星架、输入轴、太阳轮、行星轮、内齿圈、中间轴和输出轴。
根据动力传动方式的不同，齿轮箱的结构可分为定轴齿轮传动、行星齿轮传动，以及两者的组合传动形式3大类。
其中齿轮箱的箱体为齿圈轴提供支撑，把叶轮的转动力传递给输出轴，承受着内部和外部多个载荷；齿轮箱内部包含3行星轮和两级定轴齿轮传动。
一级行星齿轮传动加二级定齿轮传动齿轮箱结构，如图1。
（2）风力发电机齿轮箱工作机理。
叶轮在风的作用下转动，其轮毂转动带动齿轮箱的输入轴，进而带动行星架转动。
行星与轮箱体上的内齿圈以及太阳轮啮合，在实现自转的同时又能实现公转，完成第一轮增速；然后太阳轮带动同轴大齿轮和中间轴上的小齿轮啮合转动，进而完成第二级增速；中间轴和输出轴的齿轮啮合转动形成第三级增速。
通过三级增速，能以100的传动比带动发电机发电。
2齿轮箱的典型故障类型（1）齿面磨损故障。
风力发电机组齿轮箱的齿轮多在渐开线的工作面，以及齿轮啮合处发生磨损，主要表现为4类：①正常磨损，相互接触的金属表面以自然的速率进行损耗而导致的磨损，一般不影响齿轮的正常运行，除非已到预定的使用年限外；②重负荷破坏，金属长期工作在恶劣的环境中时，承受较大的负荷而导致的中度磨损，这种磨损会影响齿轮的正常寿命；③齿面破损，进而引起齿轮的不平稳性；④外物侵蚀破坏，一些细小的颗粒会混入到齿轮的啮合中，而导致齿轮破坏。
（2）胶合磨损故障。
齿轮面与面之间有边界膜，以保护齿轮表面。
齿轮在重载荷或高速条件下工作时，由于润滑不良或出现5结束语基于设备状态劣化趋势分析，依据振动趋势倾向性判定传动设备吐丝机存在异常。
根据轴承故障诊断的原理，通过频谱细化分析吐丝机轴承特征故障频率，确定吐丝机故障特征频率由轴承外圈引起，有计划安排检修避免了设备事故的发生。
通过实际案例，提高对机械传动设备轴承失效发展趋势的认识，为设备预知维修和挖掘设备潜能奠定了很好的基础。
参考文献［1］张健.机械故障诊断技术［M ］.北京：机械工业出版社，2014.［2］陈思龙，黄颂光，乔永钦.在线振动监测系统在减定径机组故障诊断中的应用分析［J ］.机械传动，2014（11）：158-159.［3］盛兆顺，尹琦岭.设备状态检测与故障诊断技术及应用［M ］.北京：化学工业出版社，2003.〔编辑李波〕图1齿轮箱结构图311月27日细化谱干涉情况就会导致层边界膜被破坏，就会使齿面上的金属被熔焊，从而撕裂齿面上的金属，引起胶合磨损。
（3）点蚀故障。
由于齿轮运转过程中承受着交变的载荷，从而在齿面深处产生剪切力，该剪切力是循环变化的，一旦剪切力达到齿轮的疲劳极限，就会发生疲劳破坏，在齿面上产生疲劳裂纹，引发齿面上小金属颗粒的剥落，这种状况即为点蚀。
（4）断齿故障。
齿轮在运转过程中会承受较大的冲击、偏载，而且会以周期力的形式出现，在齿轮根部逐渐扩展，最终导致断齿故障。
另外，异物颗粒掉入也会导致断齿故障。
（5）轴承故障。
齿轮受到的周期性重载也会对轴承产生一定冲击，造成轴承故障。
同时，工作不稳定导致的轴承油膜震荡、润滑不良等问题也会导致轴承损坏。
（6）漏油故障。
从漏油故障引发的根本原因来看，部件之间安装配合不良、制造工艺欠缺，以及工作环境恶劣是引发漏油故障的主要因素。
（7）润滑油超温故障。
如果风力发电机长期工作不停机或处于满负荷工作状态，润滑油会出现超温现象，从而引发一系列问题。
主要原因有：①润滑油管路堵塞、散热风扇故障等问题导致散热不良，引发润滑油超温；②冷却系统到达了破坏极限，效率变得低下，引发润滑油超温；③发电机组齿轮和轴系的布置不合理，导致应力集中，进而引发润滑油超温故障。
3故障诊断的技术及方法（1）基于振动频谱分析诊断手段。
齿轮箱主结构主要有2种振动形式，即常规型振动和非常规型振动。
在齿轮箱运转过程中，齿轮箱的一般故障对不会对其振动产生很明显的影响。
但在非常规型振动过程中齿轮箱的故障就会对其振动幅度和振动频率产生一定影响，这取决于齿轮箱的综合刚度。
正常工作的齿轮箱和非正常工作下的齿轮箱振动类型会有一定差异，这主要体现在频谱上。
所以根据振动信号，可以判断出齿轮箱的故障形式。
（2）基于振动幅值调制理论的诊断手段。
齿轮箱长期承受着周期性的载荷，会对振动的幅值产生一定影响，为此可以对振动幅值进行调制，以诊断齿轮箱的故障。
诊断过程是：以齿轮旋转轴的转速信号作为调制波的频率信号，以齿轮啮合频率信号作为载波的频率信号。
在齿轮承受载荷的时候，齿轮的转速会出现一定波动，形成振动系统里频率的调制。
一旦齿轮出现故障，就会出现频率调制，反映在频谱上就是边频信号。
例如，一旦齿轮副出现磨损故障，频率谱上就会出现一个或多个特征频率，这取决于磨损的类型。
通过频率测试装置进行检测，可以诊断齿轮副的工作状态，以此判断齿轮的工作状态。
（3）基于振动频域的故障诊断技手段。
齿轮运转过程中难免存在振动情况，在振动的频域信号中，存在很多信息，这对于分析振动的故障类型及故障严重程度十分重要，不同的故障影响是存在规律的，对应不同的振动特征，会造成一定的频率谱线变化。
通过在线监测的方式，提取某一个振动的频谱作为基准频谱，然后监测齿轮箱在整个运行过程中的频谱差异，从而作为诊断的依据。
与其他诊断方式相比，可以将复杂波形分解为谐波，大大减少分析的难度，可以及时有效的对风力发电机组齿轮箱的故障进行判断。
4故障的有效防控举措（1）合理有效的故障诊断手段。
根据《风机安全要求》，风力发电机应当配置一套独立的诊断检测及保护系统，在风力发电机处于过载、重负荷、振动过大的非正常工作情况下发挥诊断功能。
目前来说，市场上有很多种类的风力发电机齿轮箱组故障诊断系统，其中应用比较广泛、技术比较成熟的是风力发电机组振动状态在线检测系统，能够随时监测齿轮箱的运行状态，存储运行数据，平柜风机运行状态。
（2）齿面微腐控制。
齿轮箱如果长期处于润滑不良的状态，齿面就会和空气反应形成齿面微腐情况。
要想对齿面微腐进行有效控制，首先应检查齿轮箱的润滑油状态，是否存在油温过高及油液混入杂物等情况，防止因为润滑油润滑不到位而引起的齿面微腐。
因此在齿轮箱不工作情况下，也要按照润滑条件进行强制润滑，然后对润滑油的质量、油液情况进行检测，避免发生润滑油变质的情况。
同时还要保证齿轮箱呼吸器的正常使用，如硅胶是否变色等。
如果呼吸器的除湿功能失效，应当及时更换。
（3）齿面压痕的控制。
根据润滑油的润滑周期，对齿轮箱进行强制润滑。
根据压痕的不同程度，进行不同的处理。
压痕不严重的，需要返厂打磨，即用油石等进行打磨，然后对齿轮箱进行清洗；压痕严重的，需要进行更换。
（4）断齿的控制。
在齿轮箱的设计之初，就需要充分考虑过载、超速等因素；安装过程中，需对箱体的变形进行一定控制，防止一些硬物颗粒进入箱体。
（5）胶合的控制。
润滑不良或干涉都会引起齿轮啮合处的边界膜被破坏，从而导致齿轮齿面上的金属掉落。
因此，需要提高齿轮的润滑条件，避免干涉，调整部件的参数，从而改善胶合情况。
（6）轴承故障控制。
轴承的选型、润滑系统设计及安装调试，都需要进行状态监测。
通常来说，可以在齿轮箱上设置温度报警装置，随时监测油温好润滑油的质量，以保证同一个齿轮箱组里的不同轴承之间的温度差距不大，最好<15℃。
（7）断轴的控制。
充分重视齿轮箱传动轴上的应力，对于不同轴径处进行圆弧过渡连接，并保持齿面和传动轴的光洁程度。
在传动轴设计阶段需充分考虑强度问题，以保证相关零件的刚度，减轻轴的形变。
5结束语齿轮箱作为风力发电机组中的关键设备，运行稳定性关系到整个发电机组的效率和安全。
因此，有必要对风力发电机组齿轮箱的故障进行分类并加以研究。
通过阐释风力发电机组的发电原理，给出风力发电机组齿轮箱的典型故障，并针对这些故障提出一些故障诊断技术，同时给出风力发电机组齿轮箱故障防控举措，以为风力发电机组齿轮箱的安全可靠运行提供一定理论基础。
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