風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱軸承故障診斷分析
2024-01-02 10:49:16
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪箱是一個(gè)重要的部件，軸承是直接決定齒輪箱能否正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，由于軸承長期處于滾動(dòng)狀態(tài)，會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)大大影響電網(wǎng)的使用壽命。本文重點(diǎn)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱軸承的故障診斷，為解決齒輪軸承故障的方法提供了參考。
齒輪箱中的軸承具有傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩和速度變化的功能，軸承一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響變速箱的正常使用，60%的齒輪故障是由齒輪故障引起的，在這個(gè)階段，當(dāng)診斷齒輪箱的故障時(shí)，使用振動(dòng)方法、油分析方法和混沌系統(tǒng)，當(dāng)變速箱進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變速箱中的部件，包括軸、齒輪、軸承和其他部件，都將處于振動(dòng)狀態(tài)，受振動(dòng)影響，軸承表面會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，或因高溫、軸表面磨損等原因?qū)е螺S承失效，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。
一、齒輪箱故障分析方法
當(dāng)變速箱出現(xiàn)故障時(shí)，需要工作人員進(jìn)行全面分析，主要分析齒輪齒形誤差、箱體共振、軸承點(diǎn)蝕、高溫、軸面磨損、轉(zhuǎn)軸彎曲等。通過深入了解變速箱的故障特征，工作人員應(yīng)按照故障分析標(biāo)準(zhǔn)，使用加速度時(shí)域分析、頻域分析等方法，收集變速箱在振動(dòng)下發(fā)出的信號(hào)，以齒輪箱的平均振動(dòng)能量和時(shí)域峰值等參數(shù)為研究對象，判斷齒輪箱的整體振動(dòng)。采用速度時(shí)域分析方法，對齒輪箱的平均振動(dòng)能量、時(shí)域信號(hào)峰值等參數(shù)進(jìn)行診斷，以確定齒輪箱故障的原因，頻譜分析法是檢測齒輪箱振動(dòng)時(shí)齒輪外圈的嚙合頻率、加速度信號(hào)和固有頻率，從而找出齒輪箱故障的原因。目前，齒輪箱的故障分析通常是在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行的，為了獲得更準(zhǔn)確的故障分析數(shù)據(jù)，通常會(huì)檢測齒輪的癥狀狀態(tài)，并真實(shí)反映齒輪故障的位置和影響范圍，為工作人員提供必要的參考，從而采取有針對性的措施解決齒輪箱的故障。
二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型故障的診斷
1、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)診斷
目前，發(fā)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的功能，在風(fēng)力渦輪機(jī)中，齒輪箱、發(fā)電機(jī)和軸承在振動(dòng)條件下會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障，尤其是容易發(fā)生點(diǎn)蝕、軸表面磨損和其他故障的軸承。在高溫環(huán)境下，齒輪的使用壽命會(huì)縮短，此外，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供動(dòng)能的關(guān)鍵設(shè)備，齒輪箱、軸承、聯(lián)軸器等部件都會(huì)受到不同程度的載荷影響，容易導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)在不同載荷下發(fā)生故障。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)下，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能被輸送到發(fā)電機(jī)，最終產(chǎn)生電能，傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主軸、聯(lián)軸器、高速軸等裝置組成，每個(gè)裝置都有不同的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行條件下軸承故障的位置、影響范圍和性質(zhì)也不同。主軸是連接風(fēng)輪和齒輪箱的關(guān)鍵裝置，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，能量通過扭矩的變化傳遞到齒輪箱，在齒輪箱的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生的軸向力會(huì)作用在其他裝置上。聯(lián)軸器是將兩個(gè)不同設(shè)備相互連接的部件，當(dāng)聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時(shí)，它將驅(qū)動(dòng)另外兩個(gè)裝置一起旋轉(zhuǎn)，在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的動(dòng)力要求聯(lián)軸器具有緩沖和阻尼等功能。聯(lián)軸器通常由一根主動(dòng)軸和一根從動(dòng)軸組成，高速軸是連接增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)典型故障診斷
將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能通常需要風(fēng)力渦輪機(jī)在全年強(qiáng)風(fēng)等惡劣環(huán)境中運(yùn)行，設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，最低溫度設(shè)定為-20°C，然而，許多地區(qū)的最低溫度將低至-40°C，風(fēng)力渦輪機(jī)還需要承受強(qiáng)風(fēng)，這將增加機(jī)組的負(fù)荷，很容易導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)故障，特別是在機(jī)械傳動(dòng)裝置中，軸承會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕或軸表面磨損等故障，如果工作人員未能及時(shí)解決故障或未能更換故障部件，故障范圍將繼續(xù)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞。
3、變速箱故障診斷
齒輪、滾動(dòng)軸承和軸等零件是變速箱的重要部件，在分析齒輪、滾動(dòng)軸承和軸的故障時(shí)，通常使用振動(dòng)信號(hào)的頻率特性和故障特性來確定齒輪箱故障的原因，在風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行過程中，它通常保持相對較高的速度，一旦發(fā)生故障，變速箱中的零件將發(fā)出噪音，并伴有不規(guī)則的振動(dòng)，工作人員在檢測振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)域、頻域和振幅時(shí)，會(huì)得到大量的故障數(shù)據(jù)，最明顯的是齒輪故障和滾動(dòng)軸承故障數(shù)據(jù)，一旦風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度增加，就會(huì)出現(xiàn)上述故障。
風(fēng)力渦輪機(jī)通常安裝在風(fēng)大的環(huán)境中，通常安裝在荒野和島嶼等惡劣地區(qū)，風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)載具有不規(guī)則的特性，并會(huì)在瞬間對風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，從而可能導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)出現(xiàn)故障，目前，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的最高速度可以高達(dá)每分鐘1500轉(zhuǎn)，在長期高速運(yùn)行過程中，變速箱會(huì)產(chǎn)生高溫和熱量，同時(shí)，在負(fù)載的作用下，會(huì)導(dǎo)致變速箱發(fā)生故障。目前齒輪箱常見故障有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和軸承損傷。失敗的形式包括以下幾種，一是齒輪斷裂。齒輪受到周期性應(yīng)力后，根部會(huì)出現(xiàn)裂紋，經(jīng)過長期載荷后，齒輪會(huì)斷齒；二是齒輪齒面疲勞，齒輪箱在運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到機(jī)械力學(xué)的影響，產(chǎn)生的力會(huì)使齒輪相對滑動(dòng)，但齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕和表面擠壓，齒輪的齒面出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現(xiàn)為振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率、振動(dòng)能量的增加、能量振幅的增加；三是齒輪膠合，齒輪承受高速重載后，齒輪箱處于高溫狀態(tài)，此時(shí)，齒面受到高溫高壓的影響，齒面會(huì)磨損，當(dāng)齒輪相對滑動(dòng)時(shí)，齒面潤滑不足，導(dǎo)致齒面膠合失效。
4、轉(zhuǎn)子錯(cuò)位故障診斷
風(fēng)力渦輪機(jī)作為一種大型機(jī)械設(shè)備，通常放置在離地面幾十米的空中，并受到風(fēng)的影響，安裝體積龐大的發(fā)電機(jī)組很困難，也無法確保轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確對中，如果轉(zhuǎn)子不能保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，在發(fā)電機(jī)組的長期運(yùn)行中，在風(fēng)和高溫的共同影響下，齒輪箱中的阻尼器會(huì)變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和軸承無法保持對中狀態(tài)，此時(shí)，電站機(jī)組會(huì)不規(guī)則地振動(dòng)，導(dǎo)致前后旋轉(zhuǎn)裝置的軸線無法保持同一直線狀態(tài)，從而導(dǎo)致軸承失效。除了安裝困難之外，轉(zhuǎn)子的錯(cuò)位還有以下原因，一是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子會(huì)因該變量的變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致從動(dòng)轉(zhuǎn)子和主動(dòng)轉(zhuǎn)子之間存在差異；二是軸承轉(zhuǎn)子的軸承殼體的不同膨脹；三是套管的變形或位移；四是發(fā)電機(jī)所在地基的不均勻沉降；五是轉(zhuǎn)子彎曲，觸發(fā)機(jī)組發(fā)生不平衡旋轉(zhuǎn)。
5、滾動(dòng)軸承故障診斷
在傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾動(dòng)軸承是一個(gè)重要的裝置，滾動(dòng)軸承通常由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)元件和保持架組成，發(fā)電機(jī)組中滾動(dòng)軸承的配置是為了利用滾動(dòng)軸承的高效率、易于潤滑和低摩擦阻力。但是，在使用滾動(dòng)軸承的過程中，會(huì)有更大的噪音，同時(shí)，它們無法承受更大的沖擊，如果滾動(dòng)軸承發(fā)生故障，很容易對發(fā)電機(jī)組造成大面積損壞。在滾動(dòng)軸承故障分析中，主要故障特征分為以下幾個(gè)方面，一是軸承內(nèi)圈有剝落或點(diǎn)蝕現(xiàn)象，利用頻譜來檢測內(nèi)環(huán)，會(huì)有更明顯的諧波變化；二是外圈有剝落或點(diǎn)蝕現(xiàn)象，利用頻譜進(jìn)行檢測，故障具有無變頻、無調(diào)幅的特點(diǎn)；三是當(dāng)滾動(dòng)元件剝落或凹陷時(shí)，故障部位會(huì)有明顯的調(diào)制峰群特征；四是保持架變形，使用頻譜來檢測并發(fā)現(xiàn)籠具有特征頻率和諧波。此外，滾動(dòng)軸承的失效形式分為以下幾種，即疲勞剝落失效、磨損失效、裂紋和斷裂失效以及壓痕失效。
6、發(fā)電機(jī)故障診斷
發(fā)電機(jī)故障可分為定子繞組故障和軸承故障，當(dāng)定子繞組發(fā)生故障時(shí)，繞組將損壞、磨損和破裂，此時(shí)，繞組無法提供絕緣，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，故障的不同部分會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號(hào)。以轉(zhuǎn)子錯(cuò)位為例，這類問題將被歸類為偏心故障，此外，轉(zhuǎn)子和定子由軸承支撐，軸承將承受較大的徑向載荷，這將導(dǎo)致軸承在較大載荷的作用下失效。在正常情況下，軸承會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外環(huán)損壞、點(diǎn)蝕和磨損，當(dāng)軸承處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，軸承會(huì)增加故障的概率。
三、結(jié)論
總之，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，有必要從科學(xué)的角度確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障的原因，一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，工作人員應(yīng)對發(fā)電機(jī)中的傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，并逐一調(diào)查系統(tǒng)中不同設(shè)備的故障因素。然而，受故障診斷條件的影響，對發(fā)電機(jī)組中齒輪箱軸承的故障模擬分析只能采用理論依據(jù)和測試方法，還沒有通過在線測試方法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在分析齒輪箱軸承故障時(shí)，應(yīng)使用復(fù)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，這將有助于提高檢測效率，高效處理軸承故障。