风电机组传动系统维护与故障诊断

张康

摘 要：风电机组传统系统能否正常运行对电能质量及发电效率有着直接影响，国内众多风机因为传动系统发生故障无法正常运行，导致设备报废，使得电力企业利益受损。在现阶段材料质量及加工工艺的制约下，风机故障隐患主要集中在主轴轴承和齿轮箱上，故对风机在进行日常维护外，尤其要注重对重点部件的定期检修和维护，减少传动系统因部件故障而不能正常运行的情况发生。

关键词：风力发电；传动系统；维护检修

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0071-02

1 风电机组传动机构常见故障举例

风电机组的故障现象有很多种，不能直接断定是哪一个零件的问题，但是我们可以根据故障现象间接判断故障原因，再借助特定的检测工具进行检查，从而可以准确判定故障原因。如在交变载荷的影响下，承载设备会加快疲劳损伤，在疲劳状态下首先出现微小裂纹，若机组依然工作，裂纹会持续扩大，致使承载部件发生断裂。这种情况多见于轴承及齿轮等，一旦轴承或齿轮等传动机构的组成部件发生问题，将会导致整个传动系统发生故障而不能正常工作。所以了解风机部件的失效形式和原因，规范传动部件的日常维护和定期检修对降低风机故障率有着重要意义。

1.1 齿轮故障类别

①断齿：齿轮中齿面会持续承受交变载荷，所以齿根部位会承受最大的弯曲应力，由于齿根过度区域截面形状的改变，所以在齿根部位往往会出现应力集中现象，从而在齿根位置产生裂纹，裂纹逐渐扩大致使齿根处断裂，发生断齿现象。

②齿面胶合：在重载及速度较高的齿轮运行过程中，如果齿轮的润滑度不够，相啮合的两个齿面在相对滑动时，会出现油膜断裂的状况，此时相啮合的齿面会在压力及摩擦的作用下发热导致温度升高，使的啮合面中发生局部的熔焊状况，从而使啮合面发生粘连，在这种情况下，如果齿轮继续工作，齿面的啮合区域会发生断裂，该情况就是齿面胶合。

③齿面点蚀：齿面同样在交变载荷作用下，因受力不均会在齿面呈现麻点形状，此种现象就是“点蚀”。齿轮箱中的齿轮在交变载荷作用下，经常出现点蚀，假如表层这种麻点不断拓展衔接形成麻斑，就会引发大面积的金属剥落，从而导致齿面断裂。

④齿面磨损：在齿轮传动过程中，因润滑油供给不足或润滑油不够干净，残留在齿轮啮合面处的金属氧化物、微粒及其它杂质会随着齿轮的传动，不断聚集，当润滑油中含有直径超过30 pm的微粒时，会令齿轮齿面出现磨料损耗，这就是齿面磨损，该磨损会明显改变齿廓形状，增大啮合侧隙，并因为齿厚大幅度的变薄引发断齿。

1.2 主轴轴承的故障类别

①腐蚀：主要分为在轴承内有比较大的电流经常性经过引发的电腐蚀、轴承表层常因接触水或润滑油引发的锈蚀、轴颈中较小的相对运动可能诱发的微振性腐蚀等三种腐蚀。

②断裂：在轴承热处理过程中，不可避免的会出现残余应力较大的情况，若在轴承工作过程中没有很好的润滑，或承受了较大的交变载荷、疲劳载荷、负重过大等情况，都可能引发轴承中组件断裂从而破坏轴承。

③胶合：轴承在润滑不良或重载及高速情况下，因摩擦生热使轴承零件在短时间内温度上升，零件表层个别部位会因此烧伤，或着轴承表层的金属会粘在其他传动件的表层，该情况就是胶合。

④疲劳剥落：轴承在交变载荷、冲击载荷作用下，轴承的内圈及外圈会出现周期性变化的对接应力。这种应力在作用一定的周期之后，在轴承接触面会形成裂纹，之后逐步扩展至轴承的其它接触面，最终使接触面金属面积脱落。同样的应力作用也会在滚动体或着滚动体与滚道的接触面出现因疲劳发生金属脱落。

⑤塑性形态变化：轴承在承受冲击载荷或负载过重时，轴承滚道和滚子的摩擦表面因为受力不均会出现凹坑，这是因为摩擦表面的一些部位的应力在材料屈服强度极限值之上，才会出现类似于凹坑的塑性变形。当轴承的转速低于1 r/min，此类情况较易发生。

⑥磨损：当杂物进入滚道中，或滚动体和滚道发生相对滑动时均会引起表层磨损，假如润滑不够，就可能使得磨损加大，因为磨损的加大，导致滚动体和滚道接触面变得粗糙，从而扩大了轴承游隙，进而使得轴承转动精准降低，轴承组件振动和噪音增大。

2 风电机组传动系统的故障诊断及日常维护

2.1 齿轮箱的故障诊断

齿轮箱常见故障主要有温度过高、润滑油、冷却液异常、振动异常等。

2.1.1 温度过高

如果表现为齿轮箱箱体温度过高，原因是冷却系统出现问题，由于缺少冷却液或冷却泵停止工作导致温度升高，如果是齿轮、轴承等转动部件温度升高，则是缺少润滑油所导致。所以在诊断齿轮箱温度过高时，不能一概而论，必要时需要进行温度点的检测加以确定。

2.1.2 润滑油、冷却液出现异常

如果表现为润滑油、冷却液消耗较快，则是齿轮箱某个部位出现渗漏，此时要对齿轮箱进行仔细观察，找出渗漏点加以修补；如果表现为润滑油变质比正常时间要快，则是与齿轮箱温度过高有关，此时应从冷却系统入手进行诊断，也有可能因为齿轮箱中的传动部件发生磨损，使润滑油中的金属颗粒增多从而导致润滑油变质，此时应检查齿轮箱中的易损部件，必要时进行更换。

2.1.3 齿轮箱振动异常

主要表现为在设备运行过程中振动剧烈，或在运转过程中突然紧急制动等，此种情况的产生主要是齿轮轴的不平衡量超过规定范围，或是齿轮轴受到过大的瞬时冲击载荷作用，产生弯曲变形，也可能是齿轮轴在装配时对中不够精确，使齿轮轴长期在较大偏载工况下工作，由疲劳作用产生变形而导致，所以在诊断时需要借助对中仪、偏心仪等设备对齿轮轴进行分析，从而找准原因，对齿轮轴进行位置调整或进行部件更换。

总之，在整个风力发电机组的运维检修过程中，齿轮箱的故障诊断很重要。对齿轮箱在运行过程中表现的异常情况，需要迅速进行排查，精准定位故障所在区域并进行排除，由此才能减小故障的影响范围，规避及控制经济损害。

2.2 齿轮箱的日常维护及保养

风电机组齿轮箱的日常维护内容主要包括：设备外观检查、润滑油位检查、电气接线检查等。

具体工作任务包括：运维人员对齿轮箱箱体表面进行清洁，检查箱体及润滑管路有无渗漏现象，注意箱底放油阀有无松动和渗漏，避免放油阀松动和渗漏导致的齿轮油大量外泄。

通过油标尺或油位窗检查油位及油色是否正常，发现油位偏低应及时补充，若发现油色明显变深发黑时，应进行油质检验，并加强机组的运行监视。遇有滤清器堵塞报警时应及时检查处理，在更换滤芯时应彻底清洗滤清器内部，有条件最好将滤清器总成拆下在车间进行清洗、检查。

检查齿轮油位、温度、压力、压差、轴承温度等传感器和加热器、散热器的接线是否正常，导线有无磨损。在日常巡视检查时还应当注意机组的噪音有无异常，及时发现故障隐患。

此外，还要定期对齿轮箱进行检修和维护，定期检修和维护的周期除根据当地的自然环境开展外，其检修维护项目还要根据齿轮箱制造厂家要求、风电场业主要求及风机运行维护手册具体制定，在此不再累述。

2.3 主轴轴承的故障诊断

传动系统的所有零部件里，轴承是最薄弱的环节之一，轴承工作部位不同、润滑条件不同，发生失效的形式和原因不同。

行星架轴承失效的原因主要是当刹车是其他出现轴向载荷交替变换方向的工况时，主轴及其后面连接的行星架在轴向可能会有窜动，如果窜动量足够大，则对圆柱滚子轴承会造成冲击。行星轮轴承失效的原因主要是轴承外圈和行星轮内孔之间过盈配合量不足，或是由于齿轮变形而使两者接触面积减少的情况下，出现外圈磨损。在高速和低载的情况下，圆柱滚子轴承容易出现滚子打滑和滚道滑伤，而球轴承可能会出现滑伤和微剥落的损伤，从而导致高速轴轴承的失效。

同时轴承的润滑条件与轴承的早期故障也有很大关系，主要因为以下几点：

①由于温度过低，润滑剂凝固，造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损。

②润滑剂散热不好，经常过热，造成润滑剂提前失效而损坏啮合表面。

③滤芯堵塞、油位传感器污染，导致润滑剂“中毒”而失效，会引起粘着磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和气蚀。

这些磨损出现之后，轻则污染润滑剂，影响功率传递，产生噪声，造成齿面断裂，轴承内、外圈或滚动体损坏，严重时使机组无法转动而彻底停机。

针对轴承的失效形式，目前采用对轴承的振动情况和润滑油液情况进行在线监测的方法，对轴承的故障进行分析诊断。

2.4 主轴轴承的日常维护及保养

在日常运维中，常采用听、摸、看的检查方法，同时要了解轴承在生产、运转过程中的原理和保养维护常识。在日常巡检工作中，要做到以下几点：

①听——采用听针工具对设备在运转中是否有卡涩现象，有无杂音，运转是否平稳。

②摸——可用测温仪测温度，也可用手摸轴承的外壳温度，是否在可控量程技术规范数值要求内。

③看——润滑油位的高度、油色及粘度，检查加油记录时间，油品，油脂添加的量及每台设备轴承用油的型号规格是否正确。

除此以外，还要对轴承链接面进行清理，保证干净，没有杂物，轴承支座需要加固紧固，不能前后出现错位。

3 结 语

传动系统的维护是风电机组维护中的重要环节，传动系统是否正常关系着风电场能否正常运行并产生经济效益，笔者认为：

①除对传动系统进行日常维护外，还需要注意对其定期的检修和巡查，尤其加强对齿轮箱、轴承等重要部件的检查，建立规范的日常维护和定期检修制度。

②针对自然条件较差，如多雨、多雷电、风场含沙量大、风向不稳定等区域，要注意对轴承的振动情况和润滑油液情况进行在线监测，及时对异常数据进行分析，准确排除故障。

参考文献：

[1] 马婧华，汤宝平，韩延.风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统设计[J].重庆大学学报，2015，（1）.

[2] 梁伟宸，许湘莲，庞可，等.风电机组故障诊断实现方法探讨[J].高压电器，2011，（8）.

[3] 司文建，王武.风电机组传动系统故障诊断平台开发[J].机械设计与制造，2013，（9）.