畢業(yè)設計---風力發(fā)電機常見故障及其分析

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　2012 屆 電氣工程及其自動化 專業(yè) 0806072 班級</p><p>　　題 目 風力發(fā)電機常見故障及其分析 </p><p>　　姓 名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 講 師

2、 </p><p>　　二О一 二 年 五 月 八 日</p><p><b>　　內(nèi) 容 摘 要</b></p><p>　　隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，人類正面臨著能源利用和環(huán)境保護兩方面的壓力，能源問題和環(huán)境污染日益突出。風能作為一種蘊藏量豐富的自然資源，因其使用便捷、可再生、成本低、無污染等特點，在世界范圍內(nèi)得到了較為廣泛的使用

3、和迅速發(fā)展。風力發(fā)電己成為世界各國更加重視和重點開發(fā)的能源之一。隨著大型風力發(fā)電機組裝機容量的增加，其系統(tǒng)結構也日趨復雜，當機組發(fā)生故障時，不僅會造成停電，而且會產(chǎn)生嚴重的安全事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。</p><p>　　本論文先探討了課題的實際意義以及風力發(fā)電機常見的故障模式，在這個基礎上對齒輪箱故障這種常見故障做了詳盡的闡述，包括引起故障的原因、如何識別和如何改進設計。通過對常見故障的分析，給風力發(fā)電廠技術

4、維護提供故障診斷幫助，同時也給風電設備制造和安裝部門提供理論研究依據(jù)。</p><p><b>　　關鍵詞</b></p><p>　　風力發(fā)電機;故障模式;齒輪箱;故障診斷</p><p>　　Common Faults And Their Analysis</p><p>　　Of The Wind Turbine&

5、lt;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the global economic development and population growth, humanity is facing with the pressure from two sides of the energy use and environmental

6、protection, the energy problem and environmental pollution has become an increasingly prominent issue. Wind power as a abundant reserves of natural resources, because of its convenient use, renewable, low cost, no pollut

7、ion, has been more widely used and rapid development in the world. Wind power has been taken as one of the priority development ener</p><p>　　In the beginning, the dissertation introduces the practical signi

8、ficance of project and the common failure mode of wind turbines, then researches and describes the failure of gearbox in detail, including the cause of failure, how to identify and how to improve the design. Based on the

9、 analysis of common failures, not only provide assistance for fault diagnosis to the technical maintenance of wind power plants, but also provide a theoretical basis to the wind power equipment manufacturing and ins</

10、p><p><b>　　Key Words</b></p><p>　　Wind Turbines; Failure Mode; Gear Box; Fault Diagnosis目 錄</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 風力發(fā)電的背景1</p

11、><p>　　1.2 風力發(fā)電機故障診斷的意義2</p><p>　　第二章 風力發(fā)電機常見故障模式及機理分析5</p><p>　　2.1 風力發(fā)電機結構5</p><p>　　2.2 常見故障模式及機理分析7</p><p>　　2.2.1 葉片故障及機理7</p><p>　　2.2

12、.2 變流器故障及機理8</p><p>　　2.2.3 發(fā)電機故障及機理10</p><p>　　2.2.4 變槳軸承故障及機理13</p><p>　　2.2.5 偏航系統(tǒng)故障及機理16</p><p>　　2.3 本章小結21</p><p>　　第三章 風力發(fā)電機齒輪箱故障診斷22</p>

13、;<p>　　3.1 風力發(fā)電機齒輪箱常見故障模式及機理分析22</p><p>　　3.2 齒輪箱典型故障振動特征與診斷策略28</p><p>　　3.3 針對齒輪箱不同故障的改進措施32</p><p><b>　　第四章 結論36</b></p><p><b>　　致 謝37&

14、lt;/b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p>　　風力發(fā)電機常見故障及其分析</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 風力發(fā)電的背景</p><p>　　隨著全球人口數(shù)量的上升和經(jīng)濟規(guī)模的不斷增長

15、，世界范圍內(nèi)對能源需求持續(xù)增加，化石能源、生物能源等常規(guī)能源使用帶來的環(huán)境問題日益突出。在此背景下，低碳經(jīng)濟即以低能耗、低污染、低排放為基礎的能源經(jīng)濟發(fā)展模式應運而生。風力發(fā)電作為清潔能源的一種，是適應當前經(jīng)濟下國際能源發(fā)展的新型發(fā)電技術，有著得天獨厚的優(yōu)勢：風能分布廣泛，蘊藏量巨大，是一種可再生資源，有利于可持續(xù)發(fā)展；風力發(fā)電無溫室氣體排放，清潔無污染，完全符合低碳經(jīng)濟低能耗、低污染、低排放的要求；風力發(fā)電施工周期短，占地少。<

16、/p><p>　　風能作為一種清潔的可再生能源，蘊量巨大，全球的風能約為2.74×10MW，其中可利用的風能為2×10MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。自2004年以來，全球風力發(fā)電能力翻了一番，2006年至2007年間，全球風能發(fā)電裝機容量擴大27%。2007年已有9萬兆瓦，這一數(shù)字到2010年是16萬兆瓦。預計未

17、來20-25年內(nèi)，世界風能市場每年將遞增25%。隨著技術進步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭。</p><p>　　在“九五”期間，我國風力發(fā)電場的建設開始了快速發(fā)展。2001年底，我國已在新疆、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、廣東、福建、浙江、甘肅、河北、山東、海南等11個省區(qū)建立了27座風電場，總裝機容量達40萬KW，風電發(fā)電量占全國總發(fā)電量的0.1％。過去十年來，風力發(fā)電以年均55％的高速增長

18、，按國家制定的“十一五”規(guī)劃，2010年整機裝機容量達到1000萬KW，國產(chǎn)化率將達到75％～85％。</p><p>　　風力發(fā)電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電技術是一種利用風能驅動風機槳葉，進而帶動發(fā)電機組發(fā)電的能源技術。由于風能儲量豐富、用之不竭、無污染等特點，被各國廣泛重視，紛紛投入大量的人力、物力、財力來發(fā)展風力發(fā)電技術。根據(jù)國際新能源網(wǎng)的有關

19、資料顯示，迄今為止，世界上已有82個國家在積極開發(fā)和應用風能資源。目前，風電發(fā)展正在不斷超越其預期的發(fā)展速度而發(fā)展，并一直保持著世界增長最快能源的地位。</p><p>　　1.2 風力發(fā)電機故障診斷的意義</p><p>　　風電對緩解能源供應，改善能源結構、保護環(huán)境和電力工業(yè)的持續(xù)發(fā)展意義重大。這些年來，風電機組在我國得到了廣泛的安裝使用。隨著大型風力發(fā)電機組裝機容量的增加，其系統(tǒng)結構

20、也日趨復雜，風力發(fā)電機的故障也成為一個不容忽視的問題。</p><p>　　隨著風電機組運行時間的加長，目前這些機組陸續(xù)出現(xiàn)了故障（包括風輪葉片、變流器、齒輪箱、變槳軸承，發(fā)電機、以及偏航系統(tǒng)等都有），導致機組停止運行。當機組發(fā)生故障時，不僅會造成停電，而且會產(chǎn)生嚴重的安全事故。風電機組的部分部件一旦損壞，在風電場無法修復，必須運到專業(yè)廠家進行修理。因其維修費用高、周期長、難度大，勢必給風電場造成巨大的經(jīng)濟損失，

21、嚴重影響了風電的經(jīng)濟效益。</p><p>　　風電機組的輸出功率是波動的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓的偏差、電壓的波動和閃變、諧波以及周期電壓脈動等。當風電機組發(fā)生故障時，輸往電網(wǎng)的有、無功功率發(fā)生波動，且造成電網(wǎng)的諧波污染和電壓波動。伴隨的危害有照明燈光的閃爍、電視機畫面質(zhì)量下降、電動機轉速不均和影響電子儀器、計算機、自動控制設備的正常工作狀況等。風電機組的故障也會導致風力發(fā)電機從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)

22、狀態(tài)，風力發(fā)電機組的脫網(wǎng)會導致電網(wǎng)電壓的突降，而機端較多的電容補償高于脫網(wǎng)前風電場的運行電壓，引起了電網(wǎng)電壓的急劇下降，從而影響接在同一個電網(wǎng)上的其它電氣設備的正運行，甚至會影響到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。</p><p>　　風力發(fā)電機組因為長期工作在野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中，其損壞率高達40％-50％。同時，由于風力發(fā)電設備的維護技術跟不上風力發(fā)電的發(fā)展速度，一旦其關鍵零部件(如齒輪、軸承、葉片等)發(fā)生故障，

23、將會使設備損壞、發(fā)電機停機，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。例如,2006年，德國北部奧爾登堡的一臺風力發(fā)電機的轉子葉片被強風刮斷,長達10米的沉重碎片飛到20米遠的田地里，造成了嚴重的事故;2007年，榮成市港西鎮(zhèn)附近的風力發(fā)電機因齒輪油泄漏，導致其周圍5.07畝的海參飼養(yǎng)池受到污染，造成海參大量死亡。</p><p>　　風機維護主要分為定期檢修和日常排故維護兩種方式。定期的維護保養(yǎng)可以讓設備保持最佳狀態(tài)，并延長風機的使

24、用壽命，是重要的維護方式。但是定期維修可能存在維修不足、維修過剩的問題。日常排故維護是在風機出現(xiàn)故障時及時去現(xiàn)場進行設備檢修，為了避免因故障造成意外停電，還要求維護人員能夠實時監(jiān)測風機的運行狀態(tài)并預測、診斷故障。</p><p>　　隨著野外裝機規(guī)模的不斷擴大，風力發(fā)電機系統(tǒng)的故障診斷也就顯得越來越重要了。風力發(fā)電系統(tǒng)主要由將風能轉換為機械能的風力機和將機械能轉換為電能的發(fā)電機兩大部分組成，其中發(fā)電機是整個系統(tǒng)的

25、核心，直接影響整個系統(tǒng)的性能、效率和供電質(zhì)量，同時也是系統(tǒng)中易發(fā)生故障的部分。由于風力發(fā)電機受到的風場切片風復雜多變，且長期工作在野外、暴曬和雷雨等的惡劣環(huán)境中，易發(fā)生多種機械或電氣故障。因此開展對風力發(fā)電機故障診斷的研究，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進行維修，提高風力發(fā)電機組運行的可靠性，對保證風力發(fā)電機的正常安全運行具有重大的實際意義。</p><p>　　第二章 風力發(fā)電機常見故障模式及機理分析</p&g

26、t;<p>　　2.1 風力發(fā)電機結構</p><p>　　風力發(fā)電機由風輪及變槳距系統(tǒng)、輪轂、結構(機艙、地基和塔架)、傳動裝置、齒輪箱、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、剎車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)等構成。風電機組首先將風能通過風輪轉換成機械能，再借助主軸、齒輪箱等傳動系統(tǒng)和發(fā)電機將機械能轉換成電能，從而實現(xiàn)風力發(fā)電。風力發(fā)電機結構圖如下圖2.1所示：</p><p>

27、　　圖2.1 風力發(fā)電機結構圖</p><p>　　其主要部件的功能如下：</p><p>　　塔架：風力發(fā)電機塔架是支撐機艙和風輪的部件，它將風輪支撐到能較好的捕捉風能的高度。</p><p>　　風輪：主要由葉片、輪轂組成。風輪一般由3個葉片組成，因為它運行平穩(wěn)，能輸出穩(wěn)定的轉矩。輪轂是用來連接葉片與輪轂的固定部件，它將來自葉片的載荷傳遞到風輪的支撐結構上。風輪

28、的作用是獲取風能，并將風能轉變成機械能，再由與風輪相連的低速軸將動力輸出到傳動系統(tǒng)。</p><p>　　傳動機構：主要包括低速軸(主軸)、齒輪箱、高速軸和剎車裝置。齒輪箱用來提高轉速和傳遞動力。風力發(fā)電機齒輪箱大致可分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。實際應用的風力發(fā)電機齒輪系統(tǒng)中，最常見的形式是一個行星齒輪系加上一個或多個平行輪系構成的。</p><p>　　發(fā)電機：發(fā)電機是風力

29、發(fā)電系統(tǒng)的做功裝置。它的作用是將機械能轉換成電能。風電系統(tǒng)常用兩種三相發(fā)電機：一種是異步發(fā)電機，另一種是同步發(fā)電機。通過變頻器，可以使發(fā)電機產(chǎn)生的電流與電網(wǎng)上的電流相適應。</p><p>　　偏航機構：主要由風向標和旋轉馬達組成，其作用是保證在風向改變的情況下，使風輪始終與風向保持垂直。目前大多數(shù)大型水平軸風力發(fā)電機采用主動偏航來對風，經(jīng)風向標測定風向后，通過控制旋轉馬達實現(xiàn)調(diào)向。</p><

30、;p>　　控制柜：作用是對風力發(fā)電機的工作情況進行控制，保證風力發(fā)電機的正常運行。</p><p>　　機艙：機艙包容并保護著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機和控制器等。維護人員可以通過風力發(fā)電機機塔進入機艙，進行維護工作。</p><p>　　液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。</p><p>　　冷卻元件：包含一個風扇，用于冷去熱發(fā)電機。此

31、外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。</p><p>　　2.2 常見故障模式及機理分析</p><p>　　2.2.1 葉片故障及機理</p><p>　　風力發(fā)電機組通過葉片將空氣的動能轉化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉化為電能，風輪及葉片在能量轉化中擔任著重要角色。</p><p>　　葉片從葉尖到葉根，厚度和弦長都逐漸增加

32、，這是由于葉片尖部的旋轉速度高、掃掠面積大，其氣動性能對風機性能具有決定性影響，因此使用空氣動力特性較好的薄翼型。而葉片根部的載荷較大，因此使用結構性能較好的厚翼型，葉根則呈圓柱形狀，方便葉根與輪轂的連接。</p><p>　　在結構上，葉片可以分成三個組成部分：大梁—承載結構、蒙皮—氣動結構和葉根—連接結構。大梁由梁帽和剪切腹板組成，梁帽由拉壓強度很高的單向纖維復合材料制造，腹板是多向纖維復合材料和泡沫制成的夾

33、層結構，大梁承受了葉片的絕大部分載荷；蒙皮與剪切腹板結構相同，用于構成葉片的氣動外形；葉根由多向纖維復合材料制造，將大梁上的載荷均勻分散傳遞給葉根連接螺栓。</p><p>　　風力發(fā)電機組在工作過程中，槳葉的轉速是隨風速的變化而變。當陣風襲來，葉片受到短暫而頻繁的沖擊載荷，而這個沖擊載荷也會傳遞到傳動鏈上的各個部件，使得各個部件也受到復雜交變的沖擊，對其工作壽命造成極大的影響，使風力機在運行過程中出現(xiàn)各種故障。

34、尤其是風輪以及與其剛性連接的主軸、齒輪箱、發(fā)電機等在交變載荷的作用下很容易出現(xiàn)故障，造成機組停機。</p><p>　　葉片常見的故障模式有葉片斷裂、偏移、彎曲、和疲勞失效等。</p><p>　　葉片是風力發(fā)電機組中受力最復雜的部件。它在不停地旋轉, 各種激振力幾乎都是通過葉片傳遞出去的。無論是地球附面層形成的風的不均勻流,還是重力和陣風等影響因素, 都是作用在葉片上。</p>

35、;<p>　　現(xiàn)實中，風力發(fā)電所處環(huán)境比較惡劣，風車葉片不能精確地對準風向而存在偏斜，風速在風輪掃掠面上的不均勻，風速的瞬時變化，造成風機葉槳的振動、偏移、彎曲等不正常運行的狀態(tài)。當風速增大、風速減小、風速不均時都會造成葉槳的振動。</p><p>　　由于葉片較長，剛性較差，旋轉過程中自身不規(guī)則的振動或強風沖擊可能引起葉片斷裂。大型的風力發(fā)電機都在露天工作，長期旋轉后，葉片表面因積灰、粘有昆蟲尸體

36、或結冰而起葉片受力不均，導致葉片整體重心偏移，同時葉片長時間受到交變載荷作用，導致工作條件惡化，引起疲勞失效。</p><p>　　2.2.2 變流器故障及機理</p><p>　　目前各大風電場的主力機型大體有3類：鼠籠式風力發(fā)電機、直驅式風力發(fā)電機和雙饋感應式風力發(fā)電機。其中除鼠籠式以外，其余兩種形式的風力發(fā)電機并網(wǎng)時都不可避免地要經(jīng)過一個電力電子變流器，只不過由于風力發(fā)電機結構不同，

37、同樣額定功率的機組中，流過雙饋式風機變流器的能量大約只占直驅式風力發(fā)電機的1/3。</p><p>　　目前國內(nèi)實現(xiàn)國產(chǎn)化的大型變速風力發(fā)電機組采用的發(fā)電機主要為雙饋發(fā)電機，機組的正常并網(wǎng)發(fā)電須采用兩個變流器。變速恒頻雙饋風力發(fā)電機主電路圖如下圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 雙饋風力發(fā)電機主電路圖</p><p>　　風力發(fā)電并網(wǎng)變流器是一種運用現(xiàn)代高

38、科技技術，集成現(xiàn)代控制理論、微電子技術及現(xiàn)代電力電子變換技術等交叉學科的高新技術產(chǎn)品，是把風能轉化為電能并入電網(wǎng)的紐帶，既能對電網(wǎng)輸送風力發(fā)電的有功分量，又能連結、調(diào)節(jié)電網(wǎng)端無功分量，起到無功補償?shù)淖饔?。風力發(fā)電機發(fā)的是直流電要用蓄電池將風力發(fā)電機的電存起來。但我們用的電器大多用交流電，所以要用變流器將直流電變?yōu)榻涣麟?，變器就是一個逆變器。</p><p>　　變流器常見故障模式有：變流器誤動作，與預期效果誤差大

39、、過電壓、過電流、過熱及欠電壓等。過電壓和過電流可能導致開關管超過耐受極限而擊穿或燒毀，有時甚至是永久性損壞。</p><p>　　變流器所處現(xiàn)場往往環(huán)境惡劣，高溫發(fā)熱、油水臟污、灰塵以及交變的電磁干擾等都無法估計，既影響變流器性能，也極易導致變流器故障。目前風力發(fā)電機中電力電子開關大量使用了絕緣柵雙極晶體管，當其兩端電壓過高或過電流導致溫度過高，亦或其運行功率超過了在正常工作溫度下允許的最大耗散功率（最大集電極

40、功耗）等，都可能導致開關管超過耐受極限而擊穿或燒毀，有時甚至是永久性損壞。</p><p>　　導致變流器中開關管過電壓和過電流的原因是多方面的，常見的有變流器本身的質(zhì)量問題、元件接觸不良以及型號參數(shù)不匹配等。此外，風力發(fā)電機在運行過程中遭遇電網(wǎng)故障，功率無法饋送入電網(wǎng)，導致功率直流側和輸出側電壓升高，發(fā)電機在運行過程中由于負載突變產(chǎn)生過高的沖擊電流，發(fā)電機及傳輸電纜絕緣老化導致匝間或相間短路形成短路電流等，如最

41、終超過元件的耐受限度，都會導致變流器元件故障。</p><p>　　2.2.3 發(fā)電機故障及機理</p><p>　　發(fā)電機是風電機組的核心部件，負責將旋轉的機械能轉化為電能，并為電氣系統(tǒng)供電。隨著風力機容量的增大，發(fā)電機的規(guī)模也在逐漸增加，使得對發(fā)電機的密封保護受到制約。發(fā)電機長期運行于變工況和電磁環(huán)境中，容易發(fā)生故障。</p><p>　　發(fā)電機常見的故障模式有

42、發(fā)電機振動過大、發(fā)電機過熱、軸承過熱、轉子/定子線圈短路、轉子斷條以及絕緣損壞等。</p><p>　　風力發(fā)電機組振動的大小直接關系到機組能否安全運行，而對于發(fā)電廠來說安全就是最大的經(jīng)濟效益。引起機組振動過大或者不正常的原因有很多，既有設計制造方面的原因，也有運行方面的方面的原因，還有安裝和檢修等方面的原因。</p><p>　　風力發(fā)電機轉子是一個高速旋轉機械，如果轉子的質(zhì)心與旋轉中心

43、不重合，則會因為轉子的不平衡而產(chǎn)生一個離心力，這個離心力對軸承產(chǎn)生一個激振力使之引起機組振動，如果這個離心力過大，則機組的振動就會異常。所以，風力發(fā)電機轉子在裝配時每裝配一級葉片都應該對該級葉片進行動平衡試驗，整個轉子裝配完成后在出廠之前還應該對整個轉子進行低速和高速動平衡，以確保轉子的不平衡量在一個合格的范圍內(nèi)。在制造廠家，轉子不平衡量較大的原因主要由是機械加工精度不夠和裝配質(zhì)量較差引起，所以必須提高加工精度，同時保證裝配質(zhì)量，從而才

44、能保證轉子的原始不平衡量不致于太大。另外，如果機組的設計不當也會引起機組的振動。例如，在設計階段軸承的選用是非常重要的，如果軸承選取不當，則會因為軸承穩(wěn)定性太差而轉子極小的不平衡量也可能引起機組較大的振動，或者油膜形成不好而極易誘發(fā)油膜振蕩。</p><p>　　電機運行中葉片折斷、脫落或不均勻磨損、腐蝕、結垢，使轉子發(fā)生質(zhì)量不平衡。發(fā)電機轉子繞組松動或不平衡等，均會使轉子發(fā)生質(zhì)量不平衡。這樣，轉子每轉一轉，就要

45、受到一次不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力的沖擊，這種離心力周期作用的結果，就發(fā)生振動。轉子發(fā)生彎曲，即使不引起發(fā)電機動靜部件之間的摩擦，也會引起振動，其振動特性和由于轉子質(zhì)量不平衡振動的情況相似，不同之處是這種振動顯著地表現(xiàn)為軸向振動。尤其當通過臨界轉速時，其軸向振幅增大得更為顯著。如發(fā)電機轉子和靜子之間的空氣隙不均勻、發(fā)電機轉子繞組短路等，均會引起機組振動。</p><p>　　對轉動機械來說，微小的振動是不可避免的，

46、振動幅度不超過規(guī)定標準的屬正常振動。這里所說的振動，系指機組轉動中振幅比原有水平增大，特別是增大到超過允許標準的振動，也就是異常振動。任何一種異常振動都潛伏著設備損壞的危險。比如軸系質(zhì)量失去平衡（掉葉片、大軸彎曲、軸系中心變化、發(fā)電機轉子內(nèi)冷水路局部堵塞等）、動靜磨擦、膨脹受阻、軸承磨損或軸承座松動，以及電磁力不平衡等等都會表面在振動增大，甚至強烈振動。而強烈振又會導致機組其他零部件松動甚至損壞，加劇動靜部分摩擦，形成惡性循環(huán)，加劇設備

47、損壞程度。因此，新安裝或檢修后的機組，必須經(jīng)過試運行，測試各軸承振動及各軸承處軸振在合格標準以下，方可將機組投入運行。風力發(fā)電機運行中發(fā)生振動，不僅會影響機組的經(jīng)濟性，而且會直接威脅機組的安全運行。因此，在發(fā)電機運行中，對軸承和大軸的振動必須嚴格進行監(jiān)視。如振動超過允許值，應及時采取相應措施，以免造成事故。</p><p>　　由于風力發(fā)電機不停的工作，也會出現(xiàn)發(fā)電機過熱的故障現(xiàn)象：發(fā)電機運轉時機殼溫度很高，超過

48、60攝氏度，觸摸有燙手感覺。引起發(fā)電機過熱故障原因有：軸承缺油或間隙太小，造成軸承劇烈摩擦產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。軸承嚴重偏磨或損壞，以及轉子軸彎曲或磁片安裝有誤差，引起轉子磁極與定子鐵芯發(fā)生碰擦，即掃膛。定子線圈匝間短路、開路，或接線錯誤，使發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生短路電流。發(fā)電機超負荷作業(yè)。為了防止發(fā)電機過熱，必須采取一定的措施：定期保養(yǎng)發(fā)電機，發(fā)現(xiàn)缺油及時添加復合鈣基潤滑脂，一般充滿軸承腔三分之二即可。檢查軸是否彎曲，軸承是否偏磨，必要時更換軸承，校

49、正轉子軸、鐵芯等。用萬用表法或試燈法檢查定子線圈是否短路或開路，如是，應重新繞制定子線圈。檢查負荷是否與發(fā)電機匹配，如不匹配，應更換。</p><p>　　2.2.4 變槳軸承故障及機理</p><p>　　風能是一種綠色的可再生能源, 風力發(fā)電也在迅猛發(fā)展。但是風速的變化是隨機的, 從空氣動力學角度考慮，當風速過高或過低時, 只有通過調(diào)整槳葉節(jié)距, 改變氣流對葉片攻角, 從而改變風力發(fā)電

50、機組獲得的空氣動力轉矩, 才能使功率輸出保持穩(wěn)定。同時, 風力機在起動過程也需要通過變距來獲得足夠的起動轉距。</p><p>　　變槳系統(tǒng)的所有部件都安裝在輪轂上，風機正常運行時所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉。變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。風機的葉片通過變槳軸承與輪轂相連，每個葉片都要有自己的相對獨立的電控同步的變槳驅動系統(tǒng)。變

51、槳驅動系統(tǒng)通過一個小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動。  </p><p>　　風機正常運行期間，當風速超過機組額定風速時（風速在12m/s到25m/s之間時），為了控制功率輸出變槳角度限定在0度到30度之間（變槳角度根據(jù)風速的變化進行自動調(diào)整），通過控制葉片的角度使風輪的轉速保持恒定。任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90度位置。</p><p>　　目前變槳系統(tǒng)有液壓驅動

52、變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)2種類型。近來, 電動變槳距系統(tǒng)已越來越多地應用于風力發(fā)電機組。電動變槳距系統(tǒng)的3個槳葉分別帶有獨立的電驅動變槳距系統(tǒng), 其機械部分包括回轉支承、減速機和傳動裝置等。減速機固定在輪轂上, 回轉支承的內(nèi)環(huán)安裝在葉片上, 葉片軸承的外環(huán)固定在輪轂上。當變槳距系統(tǒng)通電以后, 電機帶動減速機的輸出軸小齒輪旋轉,而且小齒輪與回轉支承的內(nèi)環(huán)嚙合,從而帶動回轉支承的內(nèi)環(huán)與葉片一起旋轉, 實現(xiàn)了改變槳距角的目的。</p>

53、;<p>　　電動變槳機構傳動圖如下圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 電動變槳機構傳動圖</p><p>　　葉片由變槳電機帶動軸承旋轉調(diào)整葉片的受風角度。3個葉片分別由3臺獨立的電機帶動葉片轉動, 它們接受的是同一個旋轉信號, 因此3個葉片的旋轉是同步的，使3個葉片保持相同的受風角度。變槳電機在接受調(diào)整信號后通過變槳齒輪箱減速, 通過齒輪傳動帶動變槳軸承轉過一個

54、角度, 調(diào)整葉片的受風角度。</p><p>　　電動變槳風力發(fā)電機,在運行過程中主要存在的問題是3個葉片在變槳電機的帶動下變換葉片的角度,出現(xiàn)變槳不同步的現(xiàn)象,也就是同時給變槳電機輸送變槳信號后,由于變槳軸承發(fā)生了故障,只有2個葉片發(fā)生了變槳,另外一個沒有動,或者3個葉片都不發(fā)生動作。使風機的效率大大降低,輸出的功率達不到要求,甚至停機。</p><p>　　電動變槳軸承是在不同于一般的

55、條件下工作的。軸承的內(nèi)外圈不相對旋轉,而是在很小的角度范圍內(nèi)擺動,因此它的滾珠不是沿整個滾道滾動,而只移動很小的距離,事實上是在搖動,也就是說永遠是同一部分的滾珠受載荷的作用。軸承發(fā)生故障原因: 軸承潤滑不好造成的磨損，螺栓松動引起軸承移位，安裝不當引起軸承變形。</p><p>　　(1)軸承潤滑不好造成的磨損 </p><p>　　做擺動的軸承與單向旋轉的軸承不同,如果沒有很好的潤滑

56、,那么在短時間工作之后軸承就會磨損及損傷.滾道磨損及滾珠損傷將使摩擦力矩增加。在擺動的振幅相當大的情況下,軸承圈將受到2種載荷的作用, 如下圖2.4(a)所示。軸承圈上未被潤滑部分邊緣一段處在與連續(xù)旋轉的軸承相似工作滾珠改變運動方向后經(jīng)過的區(qū)域,在被潤滑之前將出現(xiàn)壓力峰, 該壓力峰的壓力比連續(xù)旋轉時所產(chǎn)生的壓力大1倍。當軸承以很小的擺動振幅工作時,如下圖2.4(b)所示。這時相離最遠的兩接觸面也部分地相互重疊,軸承的工作條件將變得極端不

57、好。</p><p>　　圖2.4 滾珠及潤滑劑運動圖</p><p>　　(a) 大振幅擺動時軸承圈載荷圖 (b) 小振幅擺動時軸承全載荷圖</p><p>　　因為潤滑劑不可能流入重疊的接觸面,因此該區(qū)域內(nèi)的壓力峰將變得非常大,以至于立刻就會產(chǎn)生了永久變形。在此情況下金屬表面由于猛烈擠壓,可能發(fā)生分子溶接現(xiàn)象—接觸部分燒化,滾道上留下凹坑。軸承磨損逐漸加大

58、,由于軸承圈金屬被氧化及部分潤滑劑變成酸而生成氧化物的侵蝕作用,軸承將更快損壞,導致軸承變形卡死。</p><p>　　(2)螺栓松動引起軸承移位 </p><p>　　風力發(fā)電機在運行過程中葉片所受到的氣動力是變化的,風速不僅大小變化而且方向也會變化,從而產(chǎn)生陀螺力矩,它作用在葉片上是一種變化的慣性載荷,這個載荷對轉動的葉片是變化的,也是激振源。這個振源使葉片產(chǎn)生振動,葉片是用螺栓固定

59、在變槳軸承的內(nèi)圈上。葉片的振動使固定螺栓產(chǎn)生松動,葉片的受力不再均勻,從而引起軸承在受載時內(nèi)外圈相對錯位,使接觸角發(fā)生變化,造成滾動體載荷不均勻或滾動體與滾道產(chǎn)生邊緣力,從而引起滾動體卡死在滾道上。</p><p>　　(3)安裝不當引起軸承變形 </p><p>　　變槳軸承是安裝在支承基座上,保證軸承有足夠的剛度和應力的均勻分布?；剞D支承安裝不好,軸承運行時產(chǎn)生工作變形。支承的形狀偏

60、差導致滾道變形,滾動體在滾道中卡死,引起停機或鎖死。</p><p>　　2.2.5 偏航系統(tǒng)故障及機理</p><p>　　偏航系統(tǒng)是水平軸式風力發(fā)電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個：其一是與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風力發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風力發(fā)電機組的安全運行。風力發(fā)電機

61、組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航指的是依靠風力通過相關機構完成機組風輪對風動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風向三種；主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式，常見的有齒輪驅動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風力發(fā)電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅動形式。</p><p>　　在風力發(fā)電機中，機械部件比電氣部件更容易壞，而機械部件中，偏航系統(tǒng)部件又是機械中經(jīng)常出現(xiàn)故障的重

62、點問題。常用的1.5兆瓦風機的偏航系統(tǒng)包括：偏航電機、偏航減速器、機艙位置傳感器、偏航加脂器、毛氈齒潤滑器、偏航軸承、偏航剎車閘、偏航剎車盤。</p><p>　　偏航軸承采用四點接觸球轉盤軸承結構。偏航電機是多極電機，電壓等級為400V，內(nèi)部繞組接線為星形。電機的軸末端裝有一個電磁剎車裝置，用于在偏航停止時使電機鎖定，從而將偏航傳動鎖定。附加的電磁剎車手動釋放裝置，在需要時可將手柄抬起剎車釋放。偏航剎車閘為液壓

63、盤式，由液壓系統(tǒng)提供約140～160bar的壓力，使剎車片緊壓在剎車盤上，提供足夠的制動力。偏航時，液壓釋放但保持24bar的余壓，這樣一來，偏航過程中始終保持一定的阻尼力矩，大大減少風機在偏航過程中的沖擊載荷。偏航剎車盤是一個固定在偏航軸承上的圓環(huán)。偏航減速器為一個行星傳動的齒輪箱，將偏航電機發(fā)出的高轉速低扭矩動能轉化成低轉速高扭矩動能。機艙位置傳感器內(nèi)是一個10千歐姆的環(huán)形電阻，風機通過電阻的變化，確定風機的偏航角度并通過其電阻的變

64、化計算偏航的速度。偏航加脂器負責給偏航軸承的潤滑加脂的工作。毛氈齒潤滑器負責給偏航齒的潤滑。</p><p>　　偏航驅動機構示意圖如下圖2.5所示：</p><p>　　圖2.5 偏航驅動機構示意圖</p><p>　　偏航電機根據(jù)風向標的指示，通過PLC的過濾和控制來使電機同時動作，從而帶動與其錐型連接的偏航齒頭，偏航齒頭再帶動一個三級齒盤傳動動力，然后，最后一

65、級齒盤將動力傳給上塔筒法蘭盤上的偏航系統(tǒng)大齒輪，從而帶動整個機艙進行偏航定向。</p><p>　　當60秒平均風向角度持續(xù)20秒小于155度時，風機向左偏航對風；當60秒平均風向角度持續(xù)3.5分鐘小于171度時，風機向左偏航對風，當30秒平均風向角度持續(xù)3秒大于175時，風機停止向左偏航。當60秒平均風向角度持續(xù)20秒大于205度時，風機向右偏航對風；當60秒平均風向角度持續(xù)3.5分鐘大于189度時，風機向左偏

66、航對風，當30秒平均風向角度持續(xù)3秒小于185時，風機停止向右偏航。</p><p>　　偏航系統(tǒng)工作原理為：通過風傳感器將風向的變化傳遞到偏航電機控制回路的處理器里，判斷后決定偏航方向和偏航角度，最終達到對風目的。為減少偏航時的陀螺力矩，電機轉速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風。當對風結束后，風傳感器失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。偏航系統(tǒng)的原理框圖如下圖2

67、.6所示：</p><p>　　圖2.6 偏航系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)常見故障模式有：偏航位置故障、右偏航反饋丟失、偏航位置傳感器故障、左偏航反饋丟失和偏航速度故障（偏航過載）。</p><p>　　偏航電機經(jīng)常因為過載或者軸頭軸承損壞而引起偏航故障。偏航減速器的齒頭因為固定螺栓等級不夠，經(jīng)過過多的振動，引起螺栓松動，最后損害偏航齒頭內(nèi)

68、部齒輪。由于偏航減速器內(nèi)部齒輪質(zhì)量不高，熱處理不到位，引起內(nèi)部齒輪經(jīng)常備上級齒輪打壞。偏航系統(tǒng)大齒輪是由五塊弧型齒條構成，這樣，在兩個齒條連接處，其連接如果不緊湊，焊接質(zhì)量不高的情況下，連接處的齒輪容易被打掉。偏航減速器里面充滿了潤滑油，但經(jīng)過長時間的運轉，其油性都已經(jīng)有了變化，如果沒有得到及時的處理，也會造成偏航系統(tǒng)問題。這都是偏航系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的問題，而且，在更換這些部件時，都是相當不容易更換的。一個是因為每個部件的自身重量都很重

69、，另一個是因為更換這些部件時，空間都很狹小，沒有足夠下手工作的空間。所以，對這些部件我們應該給予重視。</p><p>　　偏航電機的選擇不當就會造成偏航系統(tǒng)故障。如果選用功率不變，增大其啟動扭力，電機帶動齒頭時更容易。偏航電機的損壞，一般內(nèi)部線圈燒壞的情況比較少，大都是因為啟動扭力太大，長時間運轉，造成軸頭軸承磨損或者損壞，從而使電機不能旋轉，導致電機燒壞。不能使用等級不夠的螺栓來連接電機和齒頭，因為不夠等級的

70、螺栓會造成電機和齒頭的直接損壞。</p><p>　　風電設備一般都是大批量的生產(chǎn)，由于生產(chǎn)廠家急于供貨，一些風機上的零部件并沒有達到真正的合格標準。而且，出廠后沒有一定的技術監(jiān)督部門進行驗收，導致偏航系統(tǒng)中的齒輪存在一定的缺陷，此點相對于其它問題有一定的解決難度。風機的使用壽命是20年，但偏航大齒輪由于長時間的累計工作，必然磨損越來越嚴重，有可能在風機使用壽命期限內(nèi)造成斷齒等問題。如果廠家沒有嚴格控制其質(zhì)量，用

71、戶又沒有做好定期維護和檢查，那么不僅損壞的是大齒輪，有可能整個減速器和偏航電機都會損壞，造成巨大的損失。偏航減速器是由一些傳動齒輪構成，里面充滿了潤滑油。這些油經(jīng)過偏航齒輪長時間的運轉，使油本身的質(zhì)量和性質(zhì)發(fā)生了變化，所以，無論從其潤滑性講還是從缺油情況來講，都對偏航系統(tǒng)有著一定的影響。</p><p>　　偏航系統(tǒng)故障的解決，也正是解決了風力發(fā)電機中機械部分的難點，對風力發(fā)電事業(yè)，有著更進一步的推動和促進作用。

72、</p><p><b>　　2.3 本章小結</b></p><p>　　本章介紹了風力發(fā)電機的主要結構，并對各部件的功能做了簡要的介紹。在此基礎上對風力發(fā)電機常見的各種故障進行了分析，包括故障產(chǎn)生原因和故障產(chǎn)生機理。風力發(fā)電機常見的故障包括：葉片故障、變流器故障、發(fā)電機故障、變槳軸承故障、偏航系統(tǒng)故障和齒輪箱故障等，在本章中主要分析了前五種常見故障，齒輪箱故障將在

73、下一章詳細分析。通過對常見故障的分析，對及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障、提高機組運行的可靠性具有重大的實際意義。</p><p>　　第三章 風力發(fā)電機齒輪箱故障診斷</p><p>　　3.1 風力發(fā)電機齒輪箱常見故障模式及機理分析</p><p>　　風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，它安裝在距地面幾十米高架塔之上狹小的機艙內(nèi)，其主要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的

74、動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉速，它的正常運行關系到整機的工作性能。通常風輪的轉速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。</p><p>　　齒輪箱系統(tǒng)一般包括齒輪、軸承、軸和箱體4部分。其零部件如齒輪、軸和軸承的加工工藝復雜，裝配精度高，再加上風力發(fā)電機常常在高速重載荷下連續(xù)工作，而其狀態(tài)的好壞往往直接影響到機械設備的正常工作，故對齒輪傳動系統(tǒng)進

75、行診斷是故障診斷技術問世以來一直受到人們普遍重視的課題之一。</p><p>　　風電技術的快速發(fā)展和單機容量的增加，使得風力機的規(guī)模越來越大，對其性能的要求也越來越高。隨著大重型機組的投入運行，齒輪箱的故障頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，一臺風力機故障停機時間的20%是由齒輪箱故障引起的。一旦齒輪箱出現(xiàn)問題，除了高額的維修費用，長時間停機造成的發(fā)電量損失也是巨大的。</p><p>　　風力發(fā)電

76、機組齒輪箱常見故障按發(fā)生部位分主要有齒輪損傷，軸承損壞，斷軸等。齒輪損傷主要包括：齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒。軸承損壞主要包括磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效、膠合失效。軸的故障主要有軸彎曲，軸向竄動，軸不對中等。</p><p><b>　　(1)齒面磨損</b></p><p>　　齒輪的磨損部位主要是齒的嚙合和漸開線工

77、作面以及齒輪兩端平面。磨損一般包括四種。第一種是正常的磨損或磨光它是由接觸表面上的金屬以一定的速率緩慢的損耗，在齒輪的預期壽命內(nèi)它對正常的使用將不影響。第二種是中度磨損，它可能產(chǎn)生于重負荷的輪齒，是金屬的較快的損耗。該種磨損一定產(chǎn)生破壞, 也會降低使用壽命,并可能加大噪音。第三種則是破壞性磨損，它是齒面的損傷、損壞或由于磨損而造成齒廓的變化以至于達到非常嚴重的程度, 顯著的降低齒輪的壽命,平穩(wěn)性也將受到破壞。第四種是磨料性磨損，它是角于

78、在輪齒的嚙合中進入細顆粒而引起損壞。這種顆?？赡苁莵碜澡T造后遺留的砂或片落，齒輪箱中未清除的污物, 油中或空氣中的雜質(zhì)以及輪齒表面或軸承剝下的金屬顆粒。</p><p>　　根據(jù)不同的磨損機理，可將齒輪的磨損劃分為四個基本類型：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。磨粒磨損主要是梨溝和微觀切削作用,粘著磨損與表面分子作用力和摩擦熱密切相關。疲勞磨損是在循環(huán)應力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴展的結果,而腐蝕磨損則是由

79、環(huán)境介質(zhì)的化學作用產(chǎn)生。在實際的磨損現(xiàn)象中，通常是幾種形式的磨損同時存在，而且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其他形式的磨損。輪齒磨損使齒廓改變，側隙加大，以至由于齒輪過度減薄導致斷齒。</p><p><b>　　(2)膠合和擦傷</b></p><p>　　對于重載和高速傳動的齒輪，齒面工作區(qū)溫度很高，一旦出現(xiàn)潤滑條件不良，齒面間的油膜便會消失，一個齒面的金屬會熔焊在與之嚙

80、合的另一個齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。新齒輪未經(jīng)磨合便投入使用時，常在某一局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪擦傷。</p><p>　　膠合是相嚙合齒面在嚙合處的邊界膜受到破壞，導致接觸齒面金屬融焊而撕落齒面上的金屬的現(xiàn)象。對于重載和高速齒輪的傳動，一旦潤滑條件不良，由于齒面工作區(qū)溫度很高，齒面間的油膜就會受到影響甚至會消失，長時間工作之后，一個齒面的金屬會熔焊在與之嚙合的另一個齒面上，這樣就會在齒面上形成

81、垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。</p><p>　　(3)接觸疲勞與點蝕</p><p>　　齒輪在實際嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點兩側的方向相反，從而產(chǎn)生脈動載荷。載荷和脈動力的作用使齒輪表面的深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化的剪應力，當這種剪應力超過齒輪材料的疲勞極限時，在接觸表面會產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨著裂紋的擴展，最終導致齒面剝落細小金屬片，在齒面上形成小坑，稱之為

82、點蝕。當點蝕現(xiàn)象嚴重時可連成片，形成齒面上金屬塊剝落。此外，材質(zhì)不均勻或局部擦傷，也容易在某一齒上首先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。</p><p>　　疲勞裂紋的產(chǎn)生是由于齒輪在實際嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，從而產(chǎn)生脈動載荷，進而產(chǎn)生剪應力，這種力使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動循環(huán)變化，當這種剪應力超過齒輪材料的疲勞極限時，接觸表面將產(chǎn)生裂紋。</p><p

83、>　　在過大的接觸剪應力和應力循環(huán)次數(shù)作用下，輪齒表面或其表層下面產(chǎn)生疲勞裂紋并進一步擴展而造成的齒面損傷，其表現(xiàn)形式有破壞性點蝕、早期點蝕、齒面剝落、和表面壓碎等。特別是破壞性點蝕，常在齒輪嚙合線部位出現(xiàn)，并且不斷擴展，使齒面嚴重損傷，磨損也會加大，最終導致斷齒失效。正確進行選擇好材質(zhì)，齒輪強度設計，選擇合適的精度配合，提高安裝精度，保證熱處理質(zhì)量，改善潤滑條件等，是解決齒面疲勞的根本措施。</p><p&g

84、t;　　(4)彎曲疲勞與斷齒</p><p>　　在齒輪運行過程中，承受傳動載荷的輪齒如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應力作用最大，當這種周期性應力超過齒輪材料的疲勞極限時，會產(chǎn)生根部裂紋，并逐步擴展，當剩余輪齒無法承受載荷時就會發(fā)生斷齒現(xiàn)象。齒輪由于工作中嚴重的沖擊、偏載以及材質(zhì)不均勻也可能會引起斷齒。</p><p>　　根據(jù)裂紋擴展的情況和斷齒原因。斷齒包括過載折斷（包括沖擊折斷

85、）、疲勞折斷以及隨機斷裂等，斷齒常由細微裂紋逐步擴展而成。</p><p>　　疲勞折斷發(fā)生從危險截面（如齒根）的疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴展，使輪齒剩余截面上的應力超過其極限應力，造成瞬時折斷。其根本原因是輪齒在過高的交變應力重復作用，在疲勞折斷的處，是貝狀紋擴展的出發(fā)點并向外輻射。產(chǎn)生的原因有很多，主要是材料選用不當、齒輪精度過低、熱處理裂紋、磨削燒傷、齒根應力集中等等。因此在設計時需要考慮傳動的動載荷譜，優(yōu)

86、選齒輪參數(shù)，正確選用材料和齒輪精度，充分保證加工精度消除應力集中集中因素等等。</p><p>　　過載折斷總是由于作用在輪齒上的應力超過其極限應力，導致裂紋迅速擴展，常見的原因有軸承損壞、突然沖擊、超載軸彎曲或較大硬物擠入嚙合區(qū)等。斷齒斷口有兩種形式，一種呈放射狀花樣的裂紋擴展區(qū)，一種是斷口處有平整的塑性變形，斷口副可以拼合。仔細檢查可看到齒面精度太差，材質(zhì)的缺陷，輪齒根部未作精細處理等。在設計中應采取必要的措

87、施，充分考慮預防過載因素。安裝時防止箱體變形，防止硬質(zhì)異物進入箱體內(nèi)等等。</p><p><b>　　(5)其它故障</b></p><p>　　斷軸也是齒輪箱常見的重大故障之一。究其原因是在過載或交變應力的作用下，超出了材料的疲勞極限所致。因而對軸上易產(chǎn)生的應力集中因素要給予高度重視，特別是在不同軸徑過渡區(qū)要有圓滑的圓弧連接，此處不允許有切削刀具刃尖的痕跡，光潔度

88、要求較高，軸的強度應足夠，軸上的鍵槽、花鍵等結構也不能過分降低軸的強度。保證相關零件的剛度，防止軸變形，可以提高軸的可靠性。軸承在運轉過程中，由于安裝、潤滑、維護等方面的原因，套圈與滾動體表面之間經(jīng)受交變負荷的反復作用，而產(chǎn)生裂紋、點蝕、表面剝落等缺陷，使軸承失效，從而使齒輪副和箱體產(chǎn)生損壞。</p><p>　　風力發(fā)電廠一般處在遠離居民住宅的偏僻地區(qū)，且風力發(fā)電機無外在保護設施。這種特殊的環(huán)境對齒輪箱的正常運

89、行具有不良的影響，下面主要從風場氣流和溫度這兩個方面分析環(huán)境對故障產(chǎn)生的影響。</p><p>　　風場氣流的影響：風場氣流的不穩(wěn)定性使得風力發(fā)電機組齒輪箱長期處于復雜的交變載荷下工作，由于風速和風向隨機變化，導致齒輪箱載荷也隨之波動。對于齒輪的嚙合表面和軸承的滾動表面，這種交變應力的作用會使其表層材料出現(xiàn)疲勞，然后出現(xiàn)微觀裂紋，設備長時間運行會加速裂紋的產(chǎn)生并導致剝落，點蝕、麻點、凹坑等損傷，即為疲勞磨損。&l

90、t;/p><p>　　同時，交變載荷會引起齒輪箱的微小振動，在微小振動的激勵作用下，接觸表面互相摩擦，撞擊、擠壓，會引起表面劃傷、咬死等現(xiàn)象。風載荷的大小隨機變化，會出現(xiàn)過載荷的循環(huán)作用，導致齒輪出現(xiàn)彎曲疲勞而造成斷齒，軸承內(nèi)外環(huán)與滾動體接觸表面在交變載荷反復作用下出現(xiàn)小裂紋，裂紋逐漸擴大，產(chǎn)生麻點，最后大面積剝落，使齒輪和箱體損壞。</p><p>　　在過載或交變應力載荷作用下，易發(fā)生斷軸

91、故障。當載荷超過應力極限時會出現(xiàn)輪齒因過載而折斷的現(xiàn)象，在過高交變應力載荷作用下，出現(xiàn)疲勞折斷。</p><p>　　氣溫的影響：季節(jié)交替、晝夜溫差大的環(huán)境中，外界氣溫會對齒輪箱正常運行帶來不利影響。風力發(fā)電機組的齒輪箱受潤滑不充分、氣溫低、潤滑劑過熱提前失效等因素影響，故障率非常高。</p><p>　　當氣溫較低時，齒輪箱潤滑油變稠，黏度變低，甚至凝固，齒輪(尤其是采取飛濺潤滑的齒輪)

92、潤滑不良，會導致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而出現(xiàn)膠合、點蝕等損壞。而且材料自身在低溫下的機械特性會發(fā)生變化，即變脆，導致齒輪在運行時出現(xiàn)裂紋而產(chǎn)生破壞。</p><p>　　當氣溫較高時，由于齒輪箱在動力傳遞的過程中會使油溫進一步升高。油溫的升高會降低潤滑油黏度，使油膜厚度變薄，更容易使油滲入齒面裂紋進行擠壓，加速裂紋的擴展，從而導致齒面金屬小微粒剝落，即齒面點蝕。</p><p>　　當摩擦

93、生熱繼續(xù)增大，齒面工作區(qū)溫度達到很高，致使齒面間的油膜破裂，造成齒面金屬粘連；齒面繼續(xù)滑動會使較軟齒面金屬沿滑動方向被撕下，即出現(xiàn)齒面膠合故障。</p><p>　　3.2 齒輪箱典型故障振動特征與診斷策略</p><p>　　隨著大批大型風力發(fā)電機組的并網(wǎng)發(fā)電，大型風力發(fā)電機的運行引起了很多新問題，如主軸載荷、葉輪轉速和齒輪箱的增速比等。 同時由于載荷的增加不再像小風機那樣拆裝容易，因此

94、一旦出現(xiàn)故障, 將會對發(fā)電造成很大的影響。特別是大型風力發(fā)電機造價昂貴，一旦發(fā)生嚴重事故，將會造成巨大的經(jīng)濟損失。齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時會產(chǎn)生振動，若發(fā)生故障，其振動信號的能量分布就會發(fā)生變化，振動信號是齒輪箱故障特征的載體。通過對振動信號的采集分析，可以確定故障的準確位置，大大減少風力發(fā)電機的維護成本。</p><p>　　對齒輪箱和主軸信號的采集是通過振動傳感器來實現(xiàn)的。在風力發(fā)電機正常運行時進行信

95、號采集，將采集到的信號處理保存，在某一次風力發(fā)電機運行異常時對信號進行采集。通過對正常運行和異常運行時的頻譜進行對比，找出發(fā)生故障頻譜的變化情況。通過對頻譜變化的歸類進行總結來確定故障發(fā)生的部位，實現(xiàn)對風力發(fā)電機運行的實時監(jiān)控，以避免嚴重的故障產(chǎn)生。</p><p>　　在風力發(fā)電機的齒輪箱和主軸的適當位置放置振動傳感器。對具有故障的齒輪箱振動信號進行時域和頻域分析，在分析中除了傳統(tǒng)的頻譜分析外，還采用細化譜及解

96、調(diào)譜分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動信號進行比較，從而提取該故障的特征。根據(jù)其故障信號的特征、提出行之有效的診斷方法。</p><p>　　風力發(fā)電機的信號采集系統(tǒng)主要包括振動傳感器、信號調(diào)理及A/D轉換電路、無線信號發(fā)射模塊、無線信號接收模塊及PC機。信號采集框圖如下圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 齒輪箱信號采集框圖</p><p>　　通過振動傳感器

97、采集風力發(fā)電機組的振動信號，將采集的信號轉換為電壓信號。A/D轉換電路將模擬信號轉換成數(shù)字信號，將數(shù)字信號通過無線信號傳輸模塊發(fā)射出去。通過無線信號接收模塊將信號接收，然后傳給PC機，完成整個信號的采集。</p><p><b>　　(1)齒形誤差</b></p><p>　　齒形誤差時，頻譜產(chǎn)生以嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻與其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合

98、頻率上出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，譜圖上在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生幅值小且稀疏的邊頻帶；解調(diào)譜上出現(xiàn)轉頻階數(shù)較少，一般以一階為主。而當齒形誤差嚴重時，由于激振能量較大，產(chǎn)生以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉頻與其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率上出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象。振動能量有一定程度的增大。</p><p><b>　　(2)齒輪磨損</b></p><p>　　因為無沖擊振動信號產(chǎn)

99、生，所以不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大。如果為不均勻磨損，會產(chǎn)生以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，但幅值較小。</p><p><b>　　(3)斷齒</b></p><p>　　斷齒故障時，表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動，出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的

100、調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制邊頻帶寬而高。也出現(xiàn)以齒輪各階固有頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制邊頻帶寬而高；振動能量有較大增加。</p><p><b>　　(4)箱體共振</b></p><p>　　出現(xiàn)箱體共振時，對于薄板結構，齒輪箱的一階固有頻率占主導地位，其他頻率成分較少，振動能量有很大的增加。出現(xiàn)以箱體、齒輪固有頻率和齒輪嚙合頻

101、率及其諧波為載波頻率，故障齒輪或軸所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值明顯增大，振動能量有很大的增加。</p><p><b>　　(5)軸不對中</b></p><p>　　軸不對中時，會出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象；齒輪嚙合頻率及其諧波幅值增大；振動能量有一定程度的增大。</p&

102、gt;<p><b>　　(6)軸輕度彎曲</b></p><p>　　軸輕度彎曲時，會出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，但調(diào)制邊頻帶窄而??；如果軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對齒輪嚙合調(diào)制；軸向振動能量有較大的增加。</p><p><b>　　(7)軸嚴重彎曲</b></

103、p><p>　　軸嚴重彎曲時，齒輪嚙合過程中會有連續(xù)多次的沖擊振動，當沖擊能量很大時會激勵起箱體的固有頻率振動；出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波、齒輪固有頻率、箱體固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，邊頻帶較寬；如果軸上有多對齒輪嚙合，則會出現(xiàn)多對齒輪嚙合調(diào)制；軸向振動能量增加。</p><p><b>　　(8)軸向竄動</b></p>&l

104、t;p>　　當軸上有兩個方向相反的斜齒輪同時參與嚙合時，可能發(fā)生軸箱竄動現(xiàn)象。其中齒數(shù)較多的齒輪嚙合頻率的幅值大幅度增加，振動能量有較大的增加。</p><p>　　(9)軸有嚴重的不平衡</p><p>　　軸嚴重不平衡時，會出現(xiàn)以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，但邊頻帶較少且稀；故障軸的轉頻成分有較大的增加；軸向振動能量有較大的

105、增加。</p><p>　　(10)軸承疲勞剝落和點蝕</p><p>　　在齒輪箱中，一般滾動軸承內(nèi)圈與軸過盈配合，即軸與內(nèi)圈緊密牢固地連為一體，要激起固有頻率需要較大能量。外圈與箱體軸承座也是過盈配合，但與內(nèi)圈相比要松得多。且外圈在工作中一直受到滾動體對其較大的壓力，當軸承出現(xiàn)剝落故障并運行一段時間后，外圈與軸承座之間基本完全松動，由于外圈松動且質(zhì)量較輕，軸承元件出現(xiàn)故障時，振動能量通