關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；齒輪箱；軸承；振動(dòng)；故障診斷

齒輪箱中軸承具有傳遞運動(dòng)、扭矩以及變速等功能，一旦軸承出現故障，會(huì )嚴重影響齒輪箱的正常使用。若齒輪出現故障，其中 60% 的原因是由于齒輪失效引發(fā)的?，F階段對齒輪箱出現的故障進(jìn)行診斷時(shí)，會(huì )采用振動(dòng)法、油液分析法以及混沌診斷識別法。齒輪箱進(jìn)入到運行狀態(tài)，齒輪箱內的組成部分，包括軸、齒輪以及軸承等零件，都會(huì )處在振動(dòng)的狀態(tài)，受到振動(dòng)的影響，軸承會(huì )出現點(diǎn)蝕情況，或者由于高溫、軸面磨損等，導致軸承無(wú)法繼續工作，嚴重影響發(fā)電機組正常的運行。

1 齒輪箱故障分析方法

齒輪箱出現故障時(shí)，需要工作人員對其進(jìn)行充分的分析，主要分析齒輪齒形存在的誤差、箱體出現共振、軸承點(diǎn)蝕、高溫、軸面磨損以及轉軸彎曲等。通過(guò)對齒輪箱出現的故障特征進(jìn)行深入的了解，工作人員應按照故障分析的標準，采用加速度時(shí)域分析、頻域分析等方法，收集齒輪箱在振動(dòng)狀態(tài)下發(fā)出的信號，將齒輪箱產(chǎn)生的平均振動(dòng)能量、時(shí)域峰值等參數作為研究對象，判斷齒輪箱整體振動(dòng)情況。采用速度時(shí)域分析方法，將平均振動(dòng)能量、時(shí)域信號峰值等參數進(jìn)行診斷，以便確定引發(fā)齒輪箱故障的原因。采用頻譜分析方法，是將齒輪箱在振動(dòng)狀態(tài)下，對齒輪的嚙合頻率、加速度信號以及外環(huán)固有頻率進(jìn)行檢測，以便尋找的齒輪箱故障的引發(fā)因素。目前在對齒輪箱故障分析時(shí)，通常會(huì )在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行，為獲得更加準確的故障分析數據，一般會(huì )對齒輪的征兆狀態(tài)進(jìn)行檢測，并且會(huì )真實(shí)地反映出齒輪故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)等，為工作人員提供必要的參考依據，從而采用針對性的措施解決齒輪箱出現的故障。

2 風(fēng)力發(fā)電機組傳動(dòng)系統典型故障診斷

2.1 風(fēng)力發(fā)電機組傳動(dòng)系統結構診斷

目前，發(fā)電機和機械傳動(dòng)系統是組成風(fēng)力發(fā)電機系統重要的組成部分，并且承擔穩定發(fā)電機組正常運行的功能。而在風(fēng)力發(fā)電機組內，齒輪箱、發(fā)電機以及軸承在振動(dòng)狀態(tài)下，會(huì )頻繁地出現故障，尤其是軸承易出現點(diǎn)蝕、軸面磨損等故障，而且在高溫的環(huán)境中，會(huì )縮短齒輪的使用壽命。此外，作為風(fēng)力發(fā)電機組提供動(dòng)能的關(guān)鍵設備，齒輪箱、軸承以及聯(lián)軸器等零件，都會(huì )受到不同程度荷載的沖擊，在不同荷載作用下，極易導致傳動(dòng)系統出現故障。

圖1 齒輪箱、發(fā)電機測點(diǎn)分布圖

風(fēng)力發(fā)電機組在運行狀態(tài)下，在傳動(dòng)系統的帶動(dòng)下，將風(fēng)能轉換為機械能，再將機械能運輸至發(fā)電機，最后產(chǎn)生電能。傳動(dòng)系統主要由主軸、聯(lián)軸器、高速軸等裝置組成，每個(gè)裝置結構不同，在運行狀態(tài)下軸承出現故障的位置、影響范圍以及性質(zhì)也不相同。主軸是連接風(fēng)輪和齒輪箱的關(guān)鍵裝置，風(fēng)輪在轉動(dòng)時(shí)，通過(guò)扭矩的變化將能量傳輸至齒輪箱，在齒輪箱的帶動(dòng)下，產(chǎn)生的軸向力會(huì )作用在其他裝置上。聯(lián)軸器是兩個(gè)不同裝置相互連接的零件，聯(lián)軸器在轉動(dòng)時(shí)，會(huì )帶動(dòng)其他兩個(gè)裝置共同旋轉。不同運動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的動(dòng)力，需要聯(lián)軸器具備緩沖、減振等功能。聯(lián)軸器通常由主動(dòng)軸和從動(dòng)軸組成。高速軸是增速齒輪箱和發(fā)電機連接的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可帶動(dòng)發(fā)電機高速轉動(dòng)產(chǎn)生電能。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機組傳動(dòng)機構典型故障診斷

將風(fēng)能轉換為電能，通常需要風(fēng)力發(fā)電機組常年在大風(fēng)等惡劣的環(huán)境中運行。在風(fēng)力發(fā)電機組設計時(shí)，將最低承受溫度設置在零下 20℃，但是，許多地區的最低溫度會(huì )低至零下 40℃ ，并且風(fēng)力發(fā)電機組還需要承受較強的風(fēng)力，會(huì )增加機組承受的荷載，極易引發(fā)傳動(dòng)系統出現故障。尤其是機械傳動(dòng)裝置中，軸承會(huì )出現點(diǎn)蝕或者軸面磨損等故障，若工作人員未能及時(shí)解決故障，或者未能將出現故障的零件進(jìn)行更換，會(huì )使故障范圍不斷擴大，最終導致風(fēng)力發(fā)電機損壞。

2.2.1 齒輪箱故障診斷

齒輪、滾動(dòng)軸承和軸等零件，是構成齒輪箱重要的部分，在對齒輪、滾動(dòng)軸承和軸出現的故障進(jìn)行分析時(shí)，通常借助振動(dòng)信號頻率特征以及故障特征，可以判定引發(fā)齒輪箱出現故障的原因。風(fēng)力發(fā)電機組在運行過(guò)程中，通常會(huì )保持在較高的轉速，一旦出現故障，齒輪箱內零件會(huì )出現噪音，并且伴隨不規律的振動(dòng)。在對振動(dòng)信號產(chǎn)生的時(shí)域、頻域以及幅值進(jìn)行檢測時(shí)，工作人員會(huì )得到許多故?數據，最明顯的是齒輪故障和滾動(dòng)軸承故障數據，一旦風(fēng)力發(fā)電機組運行速度提升，上述故障就會(huì )出現。

風(fēng)力發(fā)電機組通常處在風(fēng)力較大的環(huán)境中，一般在荒野、海島等惡劣的地區，而由于風(fēng)力產(chǎn)生的荷載具有無(wú)規律特征，并且會(huì )在瞬時(shí)狀態(tài)對風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生強大的沖擊力，會(huì )引發(fā)風(fēng)力發(fā)電機組出現故障。目前，風(fēng)力發(fā)電機組最高轉速，每分鐘可高達 1500 轉，在長(cháng)時(shí)間高速運轉過(guò)程中，齒輪箱會(huì )出現高溫發(fā)熱的情況，同時(shí)在荷載的作用下，會(huì )引發(fā)齒輪箱出現故障。目前，齒輪箱常見(jiàn)的故障，包括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、軸承損壞等。出現的故障形式包括以下幾種：第一，斷齒。齒輪受到周期性的應力作用后，會(huì )在根部出現裂紋，而在荷載長(cháng)期的作用后，齒輪會(huì )出現斷齒情況；第二，齒輪齒面疲勞。齒輪箱在運動(dòng)狀態(tài)下，受到機械力學(xué)的作用，產(chǎn)生的作用力會(huì )使齒輪出現相對滑動(dòng)的狀態(tài)，只是齒面出現點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕以及表面壓碎等情況。齒輪齒面出現疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現為振動(dòng)信號出現嚙合頻率、振動(dòng)能量增大以及能量幅值增大等；第三，齒面膠合。齒輪受到高速重載的作用后，齒輪箱處在高溫的狀態(tài)下，此時(shí)，齒面受到高溫的影響以及壓力作用，會(huì )在齒面出現磨損等情況，并且在齒輪相對滑動(dòng)的狀態(tài)下，齒面未能進(jìn)行充分的潤滑，導致齒面出現膠合故障。

2.2.2 轉子不對中故障診斷

風(fēng)力發(fā)電機作為大型機械設備，發(fā)電機組通常放置在離地面幾十米的高空中，而且受到風(fēng)力的作用，安裝笨重的發(fā)電機組難度較大，無(wú)法保證轉子精準的對中安裝。若轉子未能保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電機組在長(cháng)期運行過(guò)程中，在風(fēng)力以及運行高溫共同影響下，齒輪箱內的阻尼器會(huì )出現變形，導致轉子和軸承無(wú)法保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電站機組會(huì )出現不規律振動(dòng)，致使前后旋轉裝置軸心無(wú)法保持在同一條直線(xiàn)狀態(tài)，從而引發(fā)軸承出現故障。轉子出現不對中的故障，除了安裝難度較大以外，還由于以下原因導致的：第一，運動(dòng)狀態(tài)下的轉子，會(huì )由于該變量發(fā)生的變化，導致從動(dòng)轉子與主動(dòng)轉子間，產(chǎn)生不同的動(dòng)態(tài)情況；第二，承載轉子軸承座出現不同的膨脹情況；第三，機殼出現變形或者位移情況；第四，發(fā)電機所處地基出現不均勻沉降；第四，轉子出現彎曲情況，引發(fā)機組出現不平衡的旋轉情況。

2.2.3 滾動(dòng)軸承故障診斷

在傳動(dòng)系統中，滾動(dòng)軸承是重要的裝置。滾動(dòng)軸承一般由內環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體以及保持架構成。在發(fā)電機組內配置滾動(dòng)軸承，是發(fā)揮滾動(dòng)軸承具有的效率高、易于潤滑以及摩擦阻力小等優(yōu)勢。但是，滾動(dòng)軸承在使用過(guò)程中，會(huì )出現較大的噪音，同時(shí)，無(wú)法承受較大的沖擊力。若滾動(dòng)軸承出現故障，極易引發(fā)發(fā)電機組出現大范圍的損壞情況。在對滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行分析時(shí)，主要故障特征分為以下幾個(gè)方面：第一，軸承內環(huán)出現剝落或者點(diǎn)蝕情況。使用頻譜對內環(huán)進(jìn)行檢測，會(huì )出現較為明顯的諧波變化；第二，外環(huán)出現剝落或者點(diǎn)蝕情況。使用頻譜進(jìn)行檢測，此時(shí)故障特征為無(wú)變頻、無(wú)調幅情況；第三，滾動(dòng)體出現剝落或者點(diǎn)蝕情況時(shí)，在故障位置會(huì )出現明顯的調制峰群特征；第四，保持架出現變形或者脫落。使用頻譜進(jìn)行檢測，發(fā)現保持架出現特征頻率以及諧波。此外，滾動(dòng)軸承的故障形式分為以下幾種，分別為疲勞剝落故障、磨損故障、裂紋和斷裂故障以及壓痕故障。

2.2.4 發(fā)電機故障診斷

發(fā)電機出現故障，可分為定子繞組故障和軸承故障。出現定子繞組故障時(shí)，繞組出現破壞、磨損以及裂紋等情況，此時(shí)繞組無(wú)法提供絕緣功能。出現軸承故障時(shí)，不同部分的故障會(huì )產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號，以轉子不對中為例，會(huì )將這類(lèi)問(wèn)題歸納為偏心故障。此外，轉子和定子是由軸承支撐，軸承會(huì )承受較大的徑向負荷，在較大的荷載作用下，導致軸承出現故障。通常情況下，軸承會(huì )出現內外圈損壞、點(diǎn)蝕以及磨損等情況，而且軸承在振動(dòng)狀態(tài)下，會(huì )提升出現故障的概率。

3 結語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機組出現故障時(shí)，需要以科學(xué)的角度判定引發(fā)風(fēng)力發(fā)電系統出現故障的原因。一旦風(fēng)力發(fā)電機組出現故障，工作人員應對機組內的傳統系統進(jìn)行充分的分析，逐一排查系統內不同裝置存在的故障因素。但是，受到故障診斷條件的影響，只能通過(guò)理論依據以及試驗等方法，對發(fā)電機組內齒輪箱軸承出現的故障進(jìn)行模擬分析，還未能通過(guò)在線(xiàn)測試的方法獲得準確的數據。在對齒輪箱軸承故障進(jìn)行分析時(shí)，應以復合故障診斷和混合智能故障診斷等技術(shù)，作為檢測故障的方法，有助于提升檢測效率，高效處理軸承出現的故障。

參考文獻：

[1] 王朝暉 崔厚璽. 應用倒頻譜分析法對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱故障診斷

[2] 符智 郭波江. 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱軸承故障診斷研究

[3] 劉成浩 馬瑀澤. 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱振動(dòng)測試及分析