风电机组齿轮箱常见故障及防护措施.pdf
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1、第30卷 第10期2023年10月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.10风电机组齿轮箱常见故障及防护措施郭阿童(国电电力湖南新能源开发有限公司,长沙 410000)摘 要:齿轮箱是风电机组中的重要部件,由于风电场环境影响,加上运行维护不当,导致齿轮箱故障发生率比较高,影响机组的安全运行。为了降低齿轮箱故障发生率,在总结几种常见故障的基础上,提出相应的防护措施。通过加强对齿轮箱的日常运行维护,应用监测技术监控齿轮箱重要设备部件的运行状态,并建立齿轮箱管理档案,实现对齿轮箱运行的全过程管理,能大大降低其故障发生率。因此,风电机组齿轮箱运行维护要遵循预防为主、防治
2、结合的原则,科学制定防护措施,提高运行管理水平,降低故障发生率及维护成本,提高风电场经济效益。关键词:风电机组;齿轮箱;常见故障中图分类号:TM614 文献标志码:AWind Turbine Gearbox Common Faults and Protection MeasuresGuo A tong(Hunan New Energy Development Co.,Ltd.,Changsha,410000,China)Abstract:Gearbox is an important component of wind turbine.Due to the influence of wind
3、farm environment and improper operation and maintenance,the gearbox fault rate is high,affecting the safe operation of the unit.In order to reduce the occurrence rate of gearbox fault,on the basis of summing up several common faults,the corresponding protective measures are put forward.Through stren
4、gthening the daily operation and maintenance of the gearbox,monitoring technology is applied to monitor the run-ning status of the important equipment parts of the gearbox,and the management files of the gearbox are established to realize the whole process management of the gearbox operation,can gre
5、atly reduce its failure rate.Therefore,the operation and maintenance of wind turbine gearbox should follow the principle of prevention-oriented and combination of prevention and control,formulate protective measures scientifically,improve the level of operation and management,and reduce the failure
6、rate and maintenance cost,improve the economic benefits of wind farms.Key words:wind turbine;gear box;common faults收稿日期:2023-06-29作者简介:郭阿童(1993-),男,湖南监利市人,本科,助理工程师,研究方向:风力发电。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.10.021文章编号:1671-1041(2023)10-0092-03近年来,国内风电能源产业得到快速发展,风电装机容量不断增加,年发电量也不断增加,保障了国内电力稳定供应。由于风电
7、场运行环境比较恶劣,随着投运时间的累加,风电机组各类故障也开始出现,齿轮箱故障就是其中一类常见的故障。齿轮箱是风电机组的重要机械部件之一,是机组主传动链的重要组成部分,主要作用是将风轮的动力进行增速后传递给发电机1。齿轮箱多是安装在塔顶机舱的狭小空间内,长年受极端温差、振动及变载负荷等多种因素影响,易出现故障,如果故障较大需要下塔维护的话,不仅维修费用较高,而且维修周期长,影响风电场的经济效益。因此,对齿轮箱常见的故障进行分类汇总,并利用科学的防护措施降低其故障发生率,对于风电机组的安全稳定运行具有重要的意义。1 风电机组常用的几种齿轮箱结构形式在当前国内风电机组中,常用的齿轮箱结构主要有三级
8、平行轴圆柱齿轮传动、一级行星齿轮加二级平行轴圆柱齿轮传动,以及二级行星机构串联轴传动等结构形式。三郭阿童风电机组齿轮箱常见故障及防护措施第10期93级平行轴圆柱齿轮的传动结构比较简单,为上下对开的齿轮传动,拆装起来比较便捷。该齿轮箱的输入轴直接和叶片的轮毂连接在一起,叶片的转动带动低速大齿轮旋转,一级齿轮轴将扭矩增速后传递给二级增速齿轮,通过二级齿轮增速后传到输出轴,从而带动发电机工作。该结构的箱体体积及重量较大,在兆瓦级的风电机组中应用少。一级行星齿轮加二级平行轴圆柱齿轮传动多在兆瓦级的风电机组中应用,该齿轮箱的结构比较紧凑,低速齿轮扭矩大,行星架和机组主轴连接在一起,叶片旋转的动力由行星轮
9、传递给太阳轮,再利用花键连接传给低速轴,通过中间齿轮的传动将动力传到输出轴,结构采用行星传动,太阳轮的质量小、惯性小,第二级和第三级的齿轮扭矩小,减速比分配均匀,传动效率比较高。二级行星机构串联轴传动是一级行星架与主轴连接,扭矩传递到太阳轮,再通过第二级的行星轮传递到串联轴,带动发电机工作。该箱体结构尺寸比较小,但是结构较为复杂,制造精度要求高,适用于结构紧凑的动力传动。2 风电机组齿轮箱主要故障2.1 齿轮损伤齿轮损伤是齿轮箱故障中发生最多的一种,某风电场2021 年齿轮箱故障共计发生 11 次,其中 6 次和齿轮损伤有关。齿轮损伤主要包括齿轮点蚀、磨损、断齿等多种形式,在实际运行中发生较多
10、的是点蚀2。点蚀产生的原因是齿轮在运转过程中,齿轮的啮合面会产生接触应力,这个应力随着机组载荷的变化而不断变化。如果啮合面的接触应力长期超过齿轮材料本身的疲劳极限,齿轮内部会出现微观裂纹,裂纹会随着机组运行时间增加而逐渐蔓延,最后齿轮的表面就会出现麻坑,即所谓的点蚀。齿轮面出现点蚀后,齿轮面的承载面积就会减少,并增加齿轮的接触应力,加剧齿轮的疲劳损伤,有可能导致齿面脱落。磨损多是由于齿轮润滑油的清洁度差、黏性差、润滑不足等因素导致的。断齿产生的主要原因是极限风速导致的系统过载,紧急制动或者是工况变化引起的瞬时载荷等,以及轴承损坏、较大硬物的冲击等。另外,齿轮材料本身的缺陷(强度不够、热处理工艺
11、不达标等),长期磨损导致的齿轮减薄等也是造成齿轮断齿的主要因素之一。在实际运行中,行星级齿轮、中间级齿轮等出现断齿故障后,多数都需要拆卸后下塔维修。2.2 齿轮箱油温高齿轮箱油温高,主要是由于油温监测回路故障、齿轮箱油冷电气控制回路故障、油冷执行回路故障等原因导致的。引起油温监测回路故障的主要因素有:外界环境的干扰(雷击、电磁干扰、柳絮堵塞散热器通风口等)、温度监测模块损坏、油温传感器损坏、监测回路断线或松动(连接线固定螺栓松动、绝缘破损、导线连接处断股等)。齿轮箱油冷电气控制回路的故障现象为控制回路指示灯不亮、常闭点断开、常开点闭合等,主要原因是油冷电机泵或散热器的控制接触器线圈出现接地、断
12、线、相间短路等故障。此外,控制回路绝缘接地也会导致油冷电气控制回路故障3。齿轮箱油冷执行回路包括马达电机、油管、散热器片、冷却风扇等,主要故障现象为马达运行声音异常、油管堵塞、散热器片堵塞、冷却风扇的扇叶损坏、电机卡死等。导致齿轮箱油冷执行回路故障的主要原因是电机绕组断线、接地、绝缘击穿、电机回路接线端子螺栓松动、导线接头断股、电机空开本体故障、散热片被灰尘堵塞等。此外,接触器故障(本体卡涩、相间绝缘被击穿、接线端子烧毁等)、供电总电源故障(三相电压不平衡、供电回路电缆接地、短路等)也是导致齿轮箱油冷执行回路故障的主要因素。2.3 轴承损坏由于风电机组的工作环境及载荷复杂多变,齿轮箱的载荷也不
13、断变化,导致轴承易出现故障。统计数据表明,早期风电机组齿轮箱故障中发生最多的就是轴承故障,随着轴承技术以及现场维护策略的不断成熟完善,轴承故障发生率大大降低,但是轴承故障仍旧时有发生,而且轴承故障往往会给齿轮箱带来较大的破坏4。轴承故障主要是磨损、过热、腐蚀、裂纹、表面脱落等,主要故障原因是安装不当、润滑不良(润滑油不足、失效、不清洁等)、轴承座或轴变形引起的游隙变化等。在实际中,由于轴承选择不当,会导致轴承承受的径向载荷不满足运行要求而出现轴承打滑现象;润滑油不达标会导致轴承润滑不良,润滑油清洁度不够会使杂质进入到轴承滚道间导致轴承磨损;轴承初始游隙设计不当会导致轴承温差大。在轴承的故障中,
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