摘要：实际中存在若干因素会导致风力发电机组传动系统不对中，不对中会产生动载荷，引起机组振动，将会严重影响传动系统的可靠性，是造成齿轮箱零件和发电机轴承损坏的主要原因之一。我剖析了风力发电机组传动系统不对中的原因，分析了齿轮箱高速端和发电机输入端之间不对中所产生的动载荷及其所引起的机组振动，比较了发电机轴承和齿轮箱轴承所承受的载荷。结果表明：不对中产生的动载荷不仅与转速相关，而且还随风速波动而变化，在齿轮箱轴承和发电机轴承上产生较大的动载荷。
风力发电机组传动链较长，并要在几十米、甚至上百米高空的机舱中安装，机组的精确对中相当困难。另外，机组的主承力框架相对较长，例如，1.5 MW双馈型风力机的承力框架约 7. 6 m，大部分是焊接而成，在运行过程中，随着时间和温度的变化可能会发生变形；支承发电机的4个发电机弹性支撑（橡胶阻尼器）也可能会发生不均匀变形，最终使得发电机输入端和齿轮箱的高速端同轴度数值超标，出现同轴度数值超标后，发电机会发生振动，在齿轮箱的高速轴端和发电机的输入端轴承上产生较大的动载荷，很容易造成齿轮箱高速端轴承、齿轮以及发电机轴承和联轴器损坏，同时使风力发电机组噪声增大、振动值增大，造成安全隐患。
本课题对风电场进行了风力发电机组现场振动测量和故障诊断，发现轴系不对中确实是造成风力发电机组故障的重要原因之一。我结合风力发电机组的结构特点和联轴器的特性，分析产生轴系不对中的原因，揭示风力发电机组轴系不对中造成的发电机振动超标及其特征，探讨其对发电机轴承、齿轮箱和联轴器的影响。
1、风电机组不对中的原因和影响
双馈型风力发电机组传动系统的有2种典型结构形式，风力发电机组的传动链较长，所含部件多，造成齿轮箱高速轴端与发电机输入端同轴度的环节很难控制。产生同轴度差的因素主要包括加工误差、安装误差、部件变形、环境和工况变化等。
部件的加工精度是轴系对中的基础。例如，风力发电机组在各种不同的环境下运行，条件恶劣，要满足这几条技术要求相当困难。实际情况下，弹性支承很容易发生不均匀变形，特别是支承发电机的 4 个弹性支撑，很难保证变形一致。这样就会导致发电机和齿轮箱同轴度差。
在机组设计过程中，应始终贯彻保证轴系良好对中度的技术规范。一是要保证配合精度要求容易实现，其中包括工艺和检测； 二是要尽量避免风力发电机组运行过程中，同轴度恶化； 三是预设便于现场检测同轴度和现场重新对中的结构措施。目前一个明显的误区是，只要在发电机和齿轮箱之间使用柔性联轴器就可解决同轴度问题。本文将会给出分析结论，柔性联轴器可以减小同轴度超差带来的影响，但远不足于解决问题。
在大型双馈型风力发电机组中，一个机舱底座上的安装面、主机架的精度、轴承座加工精度和轴承座与主机架的垂直度、齿轮箱输入轴与输出轴的平行度等都有严格的精度要求，在生产和检验过程中应严格控制。但在实际中，加工精度是很难保证的，例如，机舱底座几个安装位置的相对标高很难通过加工来达到很高的精度要求。因此，加工误差难于避免。
对于较长的传动链，轴系的对中一直是个难题。而风力发电机组的安装要在几十米、甚至上百米高空的机舱中进行，空间狭小，部件尺寸和重量又相对较大，加之机受风速影响机舱晃动，因此，安装中很容易存留较大的同轴度差的问题。为此，我公司在地面把传动系统组装就绪，然后整体吊装。但吊装完成之后，在塔顶仍然需要再次对中。我公司规范要求发电机的同轴度径向和轴向不超过0.1mm，角度偏差不超过0.2°。
部件变形主要会出现在机舱底座、齿轮箱和发电机的弹性支撑中。机舱底座一般采用焊接或者铸造成型。大部分情况下，要进行时效处理。即使如此，由于尺寸大，残余应力难于完全消除，加之风场环境温度湿度变化较大，在风力机组运行过程中，机舱底座会发生不均匀变形，造成轴系同轴度变化，特别是齿轮箱高速端输出轴与发电机输入端同轴度变化。齿轮箱和发电机的弹性支承主要用于减振和降噪。虽然看似简单，但其中包含了很复杂的技术，一是要求具有足够的承载能力和抗疲劳特性； 二是要有显著的阻尼效果，并且在风力发电机组整个工作频率范围不衰减；三是产品一致性要好，即每一组弹性支撑的尺寸、刚度和阻尼标准要严格控制在限定范围内；四是20年寿命期内不明显老化。风力发电机组在各种不同的环境下运行，条件恶劣，要满足这几条技术要求相当困难。实际情况下，弹性支撑很容易发生不均匀变形，特别是支承发电机的4个弹性支撑，很难保证变形一致。这样就会导致发电机和齿轮箱同轴度差。
在大型双馈型风力发电机组中，普遍存在一个设计风险，即主轴轴承为径向和轴向承载力轴承。叶轮的推力和扭矩通过主轴作用在轴承上后，由于机舱底座刚度较弱，安装初期，有可能会使其发生较大变形，把轴向力直接传到齿轮箱，会造成主轴和齿轮箱低速端承受较大的载荷。这均将对齿轮箱和轴承产生严重的不利影响。导致齿轮箱高速端与发电机输入端同轴度变化。
上述分析表明，轴系同轴度差是风力发电机组突出的常发故障形式。不论是齿轮箱低速端，还是高速端，如果不对中，轴承和齿轮箱载荷要增大，会引起部件( 例如发电机) 或者整机振动，使得轴承和齿轮箱动载加大。根据 ISO281∶1990 的基本寿命公式，可简单地给出数据说明，当当量动载荷增大 5% 时，寿命将降低约 15%。可见，轴系同轴度差是须认真加以应对的问题。
不对中产生的载荷及其特征
高速端角度不对中
取图1 所示的模型，分析角度不对中条件下风力发电机组的附加载荷。风力机组的主轴和齿轮箱的低速轴之间一般采用刚性连接，而高速端输出轴与发电机输入轴采取柔性联轴器连接。现假设发电机输入轴与齿轮箱高速轴存在角度偏差，如图2所示，两轴间夹角为β，齿轮箱高速轴转速为Ω，驱动转矩为Mɑ角，角度不对中条件下风力发电机组的附加载荷由驱动转矩Mɑ和联轴器变形两个因素所造成。
图2 发电机输入轴与齿轮箱高速轴同轴度差
结论
1、实际中存在若干因素会导致风力发电机组传动系统同轴度差。
2、不对中会产生动载荷。动载荷不仅与转速相关，而且还随风速波动而变化，会引起机组振动，将会严重影响传动系统的可靠性，特别是容易造成齿轮箱高速端和发电机的轴承损坏。
3、 采用柔性联轴器可减小不对中产生的动载荷，但功效很有限。在机组长期运行时，同轴度要严格控制在限定的范围内。
4、 对于凸爪式联轴器，应保证各对凸爪和连杆均匀一致，应检验联轴器刚度的均匀度。
6、不对中时，齿轮箱高速端轴承的动载荷要比发电机轴承的动载荷大得多。在齿轮箱设计时，应保证高速端轴承的良好润滑，并提供易于检查高速端齿轮和轴承的方便性。
参考文献
[1]廖明夫，Gasch R，Twele J.风力发电技术［M］．西北工业大学出版社，2009.
论文作者:孙金虎
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：齿轮箱论文; 发电机论文; 同轴论文; 载荷论文; 联轴器论文; 轴承论文; 对中论文; 《电力设备》2019年第3期论文;