風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱軸承故障診斷分析
2024-01-02 10:49:16
在風(fēng)力發(fā)電機組的傳動(dòng)系統中，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)鍵設備，由于軸承長(cháng)期處于滾動(dòng)狀態(tài)，會(huì )發(fā)生故障，導致發(fā)電機無(wú)法正常運行，嚴重時(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動(dòng)、扭矩和速度變化的功能，軸承一旦發(fā)生故障，將嚴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，當變速箱進(jìn)入運行狀態(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 )出現點(diǎn)蝕，或因高溫、軸表面磨損等原因導致軸承失效，嚴重影響發(fā)電機組的正常運行。
一、齒輪箱故障分析方法
當變速箱出現故障時(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、轉軸彎曲等。通過(guò)深入了解變速箱的故障特征，工作人員應按照故障分析標準，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，以齒輪箱的平均振動(dòng)能量和時(shí)域峰值等參數為研究對象，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)域信號峰值等參數進(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)現場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行的，為了獲得更準確的故障分析數據，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)電機驅動(dòng)系統典型故障的診斷
1、風(fēng)機驅動(dòng)系統結構診斷
目前，發(fā)電機和機械傳動(dòng)系統是風(fēng)力發(fā)電機組系統的重要組成部分，承擔著(zhù)穩定發(fā)電機組正常運行的功能，在風(fēng)力渦輪機中，齒輪箱、發(fā)電機和軸承在振動(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)電機提供動(dòng)能的關(guān)鍵設備，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，容易導致傳動(dòng)系統在不同載荷下發(fā)生故障。
在風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)下，在驅動(dòng)系統的驅動(dòng)下，風(fēng)能被轉化為機械能，然后機械能被輸送到發(fā)電機，最終產(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)裝置都有不同的結構，在運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，當風(fēng)輪旋轉時(shí)，能量通過(guò)扭矩的變化傳遞到齒輪箱，在齒輪箱的驅動(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)不同設備相互連接的部件，當聯(lián)軸器旋轉時(shí)，它將驅動(dòng)另外兩個(gè)裝置一起旋轉，在不同運動(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)電機的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可以驅動(dòng)發(fā)電機高速旋轉產(chǎn)生電能。
2、風(fēng)力發(fā)電機組傳動(dòng)機構典型故障診斷
將風(fēng)能轉化為電能通常需要風(fēng)力渦輪機在全年強風(fēng)等惡劣環(huán)境中運行，設計風(fēng)力渦輪機時(shí)，最低溫度設定為-20°C，然而，許多地區的最低溫度將低至-40°C，風(fēng)力渦輪機還需要承受強風(fēng)，這將增加機組的負荷，很容易導致傳動(dòng)系統故障，特別是在機械傳動(dòng)裝置中，軸承會(huì )出現點(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，故障范圍將繼續擴大，最終導致風(fēng)力發(fā)電機組損壞。
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)信號的頻率特性和故障特性來(lái)確定齒輪箱故障的原因，在風(fēng)力渦輪機的運行過(guò)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，并伴有不規則的振動(dòng)，工作人員在檢測振動(dòng)信號產(chǎn)生的時(shí)域、頻域和振幅時(shí)，會(huì )得到大量的故障數據，最明顯的是齒輪故障和滾動(dòng)軸承故障數據，一旦風(fēng)機的運行速度增加，就會(huì )出現上述故障。
風(fēng)力渦輪機通常安裝在風(fēng)大的環(huán)境中，通常安裝在荒野和島嶼等惡劣地區，風(fēng)產(chǎn)生的負載具有不規則的特性，并會(huì )在瞬間對風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生強烈影響，從而可能導致風(fēng)力渦輪機出現故障，目前，風(fēng)力渦輪發(fā)電機的最高速度可以高達每分鐘1500轉，在長(cháng)期高速運行過(guò)程中，變速箱會(huì )產(chǎn)生高溫和熱量，同時(shí)，在負載的作用下，會(huì )導致變速箱發(fā)生故障。目前齒輪箱常見(jiàn)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。齒輪受到周期性應力后，根部會(huì )出現裂紋，經(jīng)過(guò)長(cháng)期載荷后，齒輪會(huì )斷齒；二是齒輪齒面疲勞，齒輪箱在運動(dòng)時(shí)，受到機械力學(xué)的影響，產(chǎn)生的力會(huì )使齒輪相對滑動(dòng)，但齒面出現點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕和表面擠壓，齒輪的齒面出現疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現為振動(dòng)信號的嚙合頻率、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，當齒輪相對滑動(dòng)時(shí)，齒面潤滑不足，導致齒面膠合失效。
4、轉子錯位故障診斷
風(fēng)力渦輪機作為一種大型機械設備，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)電機組很困難，也無(wú)法確保轉子的準確對中，如果轉子不能保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，在發(fā)電機組的長(cháng)期運行中，在風(fēng)和高溫的共同影響下，齒輪箱中的阻尼器會(huì )變形，導致轉子和軸承無(wú)法保持對中狀態(tài)，此時(shí)，電站機組會(huì )不規則地振動(dòng)，導致前后旋轉裝置的軸線(xiàn)無(wú)法保持同一直線(xiàn)狀態(tài)，從而導致軸承失效。除了安裝困難之外，轉子的錯位還有以下原因，一是處于運動(dòng)狀態(tài)的轉子會(huì )因該變量的變化而發(fā)生變化，導致從動(dòng)轉子和主動(dòng)轉子之間存在差異；二是軸承轉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)電機所在地基的不均勻沉降；五是轉子彎曲，觸發(fā)機組發(fā)生不平衡旋轉。
5、滾動(dòng)軸承故障診斷
在傳動(dòng)系統中，滾動(dòng)軸承是一個(gè)重要的裝置，滾動(dòng)軸承通常由內圈、外圈、滾動(dòng)元件和保持架組成，發(fā)電機組中滾動(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(guò)程中，會(huì )有更大的噪音，同時(shí)，它們無(wú)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，一是軸承內圈有剝落或點(diǎn)蝕現象，利用頻譜來(lái)檢測內環(huán)，會(huì )有更明顯的諧波變化；二是外圈有剝落或點(diǎn)蝕現象，利用頻譜進(jìn)行檢測，故障具有無(wú)變頻、無(wú)調幅的特點(diǎn)；三是當滾動(dòng)元件剝落或凹陷時(shí)，故障部位會(huì )有明顯的調制峰群特征；四是保持架變形，使用頻譜來(lái)檢測并發(fā)現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)電機故障診斷
發(fā)電機故障可分為定子繞組故障和軸承故障，當定子繞組發(fā)生故障時(shí)，繞組將損壞、磨損和破裂，此時(shí)，繞組無(wú)法提供絕緣，當軸承發(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。以轉子錯位為例，這類(lèi)問(wèn)題將被歸類(lèi)為偏心故障，此外，轉子和定子由軸承支撐，軸承將承受較大的徑向載荷，這將導致軸承在較大載荷的作用下失效。在正常情況下，軸承會(huì )出現內外環(huán)損壞、點(diǎn)蝕和磨損，當軸承處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，軸承會(huì )增加故障的概率。
三、結論
總之，當風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生故障時(shí)，有必要從科學(xué)的角度確定風(fēng)力發(fā)電系統故障的原因，一旦風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生故障，工作人員應對發(fā)電機中的傳統系統進(jìn)行全面分析，并逐一調查系統中不同設備的故障因素。然而，受故障診斷條件的影響，對發(fā)電機組中齒輪箱軸承的故障模擬分析只能采用理論依據和測試方法，還沒(méi)有通過(guò)在線(xiàn)測試方法獲得準確的數據，在分析齒輪箱軸承故障時(shí)，應使用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，這將有助于提高檢測效率，高效處理軸承故障。