摘要：在新能源发电领域中，风力发电以其环保、可持续再生、成本低等优势使其越来越受到各国重视。齿轮箱是双馈风力发电机组不可或缺的机械部件，它的健康状况将直接影响整个风力发电机组的工作性能。近年来，许多投运风电场的齿轮箱发现程度不一的故障，严重地影响了机组发电效率，对此，文章在此基础上主要研究了风力发电机组齿轮箱故障诊断方法。
关键词：风力发电机组；齿轮箱故障；诊断方法
1齿轮箱结构
目前风电机组的齿轮箱主要是定轴传动和行星传动的组合。目前国内主流的风电机组齿轮箱采用的传动形式是一级行星齿轮传动加二级定轴齿轮传动。其内部主要组成部件如图1所示。由图可知该类型的齿轮箱是由太阳轮、三个行星轮、内齿圈和两级定轴齿轮传动组成。当风驱动叶轮旋转的时候将会带动主轴旋转，而主轴与行星架硬性连接，因此行星架将会产生旋转，三个行星轮分别与行星架连接，从而使得行星轮自传的同时又绕太阳轮公转，行星轮的公转和自传带动太阳轮旋转，使得行星轮与太阳轮啮合完成一级增速。太阳轮的转动将会带动同轴上的第一级定轴传动的大齿轮转动，大齿轮将会与其小齿轮发生啮合，此时完成二级增速。与第一级定轴传动的小齿轮将带动同轴上的第二级定轴传动的大齿轮转动，大齿轮将会与小齿轮啮合，完成三级增速。风电机组中齿轮箱的传动比一般是100-200。
图1一级行星加二级定轴传动齿轮箱结构
2齿轮箱的典型故障类型
2.1齿轮断齿
齿轮在运作时其根部会受到周期性交变载荷的作用，将会导致齿轮根部出现裂纹，同时在裂纹逐步的扩展。当剩余部分无法承受外载荷的时候就会发生断齿现象。齿轮断齿的主要表现形式包括：整个齿轮沿齿根的弯曲疲劳断裂、齿轮局部断裂以及齿轮出现裂纹。当出现齿轮断齿故障时振动信号的能量分布将会发生变化，时域的振动信号将会含有周期性的振动冲击，而频域频谱上会出现调制边频带，其特点是以齿轮的啮合频率及高次谐波为中心，以齿轮所在轴的转频及倍频间隔。
2.2齿轮点蚀
齿轮在啮合过程时将会发生相对滚动和相对滑动，由于齿轮啮合表面在受到过大的接触应力，如果超出了齿面的所能承受的范围，在周期性载荷的重复冲击下使得齿面会产生细微的裂纹，裂纹逐步扩展导致齿面有小金属剥落造成齿面损坏，这种现象称为点蚀。当齿轮出现点蚀故障时，齿轮箱的时域振动信号中出现周期性的瞬态冲击成分，并且峭度值也随之增加。齿轮箱振动信号的频域特征是点蚀故障的逐步演变，使得齿轮箱振动信号频谱上的谱线幅值将会增加，并且位于中高频处的谱线幅值增加较为明显，同样在其频谱上会出现以啮合频率以及高次谐波为中心，以齿轮所在轴的转频及倍频为间隔的调制边频带。
2.3轴承故障
齿轮受到的周期性重载也会对轴承产生一定冲击，造成轴承故障。同时，工作不稳定导致的轴承油膜震荡、润滑不良等问题也会导致轴承损坏。
3风力发电机组齿轮箱故障诊断方法
3.1振动分析法
振动分析法是最早应用于故障诊断领域的一种分析方法，振动分析法主要是分析安装在齿轮箱箱体上的传感器所采集到的振动信号。若齿轮箱中的部件（如齿轮、滚动体等）在其制造过程中由于加工精确度不高、材质均匀、装配误差等原因，将会导致存在不平衡的现象。由于这种不平衡的现象使得齿轮箱中部件的实际旋转中心与理论的旋转中心没有在同一位置，因此当设备开始运作的时候，这种不平衡将会产生离心力。随着部件的旋转使得离心力的方向将会进行周期性的变化，这种变化同时造成部件的中心位置也在不断的发生变化，离心力以及中心位置的不断变化将会使得齿轮箱产生振动现象。由于齿轮箱的振动信号中包含轮箱运行状态的全部有效信息。当齿轮箱中部件出现故障的时候其振动信号的时域和频域特征将会发生变化，振动信号中的成分（如频率成分、幅值变化等）可以作为反映齿轮箱运行状态的重要指标。由于振动分析法可以精准定位故障位置、诊断速度快以及诊断精度高等优点，因此目前该方法是齿轮箱故障诊领域中使用最广泛的方法。
3.2油液分析法
油液分析法主要是分析齿轮箱中的润滑油中所含的成分进行分析以达到故障诊断的目的。在齿轮箱运行时齿轮的啮合以及滚动体的转动都会发生相互接触产生摩擦现象，从而使得齿轮箱的润滑油中会含有由于摩擦所产生的微小磨粒，当出现不同程度的磨损时会使得润滑油中含有的磨粒的形状、大小和数目和都不尽相同。通过判断润滑油中的磨损磨粒的总量、尺寸大小以及化学成分来判故障断磨损程度、故障的严重程度和故障类型。油液分析法在故障诊断领域得到了广泛的应用。该方法广泛的应用到油润滑类型的轴承诊断领域。此方法只适用于判断齿轮箱是否出现故障，但是无法精确的定位故障位置，同时由于成本较高，这种方法具有很大的局限性。
3.3声发射技术
声发射技术无损伤的检测技术，声发射技术是结构诊断领域中一种非常流行和标准化的方法。近年来在齿轮箱故障诊断领域的应用得到了广泛的应用。这一方向的工作虽然研究相对较少，但在早期有效地诊断机械故障方面显示了的效率。声发射是材料内部应力突然重新分布所引起的应力波。当材料受到摩擦、磨损、腐蚀时，由于晶格结构的变化而产生的应力，从而以弹性波的形式释放能量。嵌入式声发射传感器内的压电元件经过微调，以感应振幅与皮安计的阶数相同的应力波。频率范围为50KHz至2MHz。声发射技术可以主动感知机器发生的变化。晶格层上的元素，通过相对低频的常规振动技术无法检测到，在这种技术中，测量值通常限制在20kHz。但是声发射技术适用于对明显的故障进行诊断，但是对于复合的故障和微弱的故障诊断精确度较低。因此，声发射技术的应用也存在一定的局限性。
4常见故障的控制措施
（1）断齿的控制。在齿轮箱的设计之初，就需要充分考虑过载、超速等因素；安装过程中，需对箱体的变形进行一定控制，防止一些硬物颗粒进入箱体。（2）齿面微腐控制。齿轮箱如果长期处于润滑不良的状态，齿面就会和空气反应形成齿面微腐情况。要想对齿面微腐进行有效控制，首先应检查齿轮箱的润滑油状态，是否存在油温过高及油液混入杂物等情况，防止因为润滑油润滑不到位而引起的齿面微腐。因此在齿轮箱不工作情况下，也要按照润滑条件进行强制润滑，然后对润滑油的质量、油液情况进行检测，避免发生润滑油变质的情况。同时还要保证齿轮箱呼吸器的正常使用，如硅胶是否变色等。如果呼吸器的除湿功能失效，应当及时更换。（3）轴承故障控制。轴承的选型、润滑系统设计及安装调试，都需要进行状态监测。通常来说，可以在齿轮箱上设置温度报警装置，随时监测油温好润滑油的质量，以保证同一个齿轮箱组里的不同轴承之间的温度差距不大，最好＜15℃。
5结束语
文章通过阐释齿轮箱结构，给出风力发电机组齿轮箱的典型故障，并针对这些故障提出一些故障诊断技术，同时给出风力发电机组齿轮箱故障防控举措，以为风力发电机组齿轮箱的安全可靠运行提供一定理论基础。
参考文献：
[1]彭龙.风力发电机齿轮箱状态监测与故障诊断系统的研究[D].上海电机学院,2016.
[2]孙鲜明.复杂工况下风力发电机组关键部件故障分析与诊断研究[D].沈阳工业大学,2014.
[3]崔伟.风力发电机组振动状态监测与故障诊断系统研究[D].华北电力大学,2014.
作者简介：刘鑫（1994.08）四川遂宁人，新疆农业大学机械设计制造及自动化专业，助理工程师，鲁能新能源（集团）有限公司新疆分公司。
论文作者:刘鑫
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：齿轮箱论文; 齿轮论文; 将会论文; 故障论文; 行星论文; 故障诊断论文; 润滑油论文; 《电力设备》2019年第9期论文;