摘要：当前风力发电受到大众关注程度日益增加，并且风力发电场建设周期短，基本布设在大风地带，而风力发电可利用率与其传动系统运行质量密切相关，但传动系统实际使用过程中常出现各种问题，其对于风力发电机运行质量及风力发电可利用率均产生不良影响，因此加强风力发电机传动系统检查与维护研究意义重大。本文研究首先阐述风力发电机传动系统故障诊断技术，然后解析风力发电机传动系统故障类型及维护策略，最后提出风机维护工作内容。
关键词：风力发电机；传动系统；检查；维护；故障诊断
一、风力发电机传动系统故障诊断技术
通常风力发电机传动系统故障诊断技术大体包括下列三个方面。首先为振动故障检测诊断技术，该技术作为当前应用频次较高的风电机组故障诊断方法之一，独立诊断效果明显，其实际诊断准确性高。虽然这种技术故障诊断效果较好，但经济效益较为一般，这主要由于振动检测需在风力发电机传动系统不同位置布设各种振动传感器，而风力发电机实际工作环境较为恶劣，其使得传感器损坏频次较高，常常需要工作人员进行更换，这明显增加经济成本及工作量，所以风力发电机传动系统故障检测过程尽可能降低传感器使用数量，从而有效降低相关检测成本。其次为电信号故障检测诊断技术，该技术应用可有效 传感器频繁损坏及安装难度大等各种问题，其主要基于电流和电压实施信号检测，所以相关经济成本较小。但该技术应用过程中故障诊断面小，相关技术存在一定缺陷及不足，因此尚未大范围应用在风力发电机传动系统故障诊断领域。最后为性能故障检测诊断技术，其与电信号检测类似，检测成本低且技术成熟度差，该技术无需布设大量的传感器，基于相关风电机组系统数据便可起到明显的检测效果，但实际有效诊断范围小，并且对于相关工作人员专业技术能力及技术经验要求高。
二、风力发电机传动系统故障类型及维护策略
2.1风力发电机传动系统故障类型
2.1.1齿轮箱故障
首先为齿轮故障类型，按照类型不同可以分为齿轮故障和轮体故障两类，风电机组的主要故障形式则包含：（1）齿面损耗。风电机组的齿面损耗其主要是齿轮的磨损和腐蚀。磨损是风电机组机械传动由于润滑不足和异物进入导致齿轮的轮廓发生改变、间隙增加等问题。腐蚀则主要是由于一些腐蚀性气体或者液体等引起化学腐蚀，齿轮的咬合是发生电火花或者电弧引起机械电蚀。（2）齿面胶合。风电机组传动系统中的齿轮高速运转，如果齿轮箱中的润滑环境较差，很可能引起齿轮中间油膜消失，齿轮间的高温造成齿轮面发生熔焊。（3）齿轮变形。齿轮的变形主要是指塑性变形问题，齿轮箱的齿轮长时间处于重载工作状态时，齿轮承受的载荷消失之后恢复形变，从而发生塑性形变。其次为齿轮振动管信号调制。风机传动系统齿轮箱故障多为齿轮电蚀、齿轮折断等故障，这些故障均会引起周期性脉冲冲击，振动信号会出现调制现象，并且在振动信号频谱上表现为齿轮咬合频率、齿轮箱固有振动频率两侧分布均匀齿轮故障诊断中，其诊断信号调解工作显得尤为重要。如果齿轮箱发生故障，则在检测振动频率谱上包含正常的咬合频率、倍频率分量、周期性脉冲引起的调制。
2.1.2滚动轴承故障
滚动轴承作为大型传动系统的重要组成部分，因此滚动轴承故障也是重要的故障源。据相关统计旋转机械大约有30%都是由于滚动轴承故障引起，感应电机故障之中，滚动轴承故障约为电机的40%。风机电阻故障传动系统之中，轴承的故障率达到20%之多。滚动轴承主要的故障形式为裂纹、腐蚀、断裂、压痕以及剥落等问题，故障的发生位置可能为内圈、外圈、滚动、保持架等地方。当滚动轴承运行一定的时间之后，振动幅值继续维持在一个水平，频谱相比而言仍然比较单一。随着轴承使用时间推移，振动会伴随着噪声逐渐增大，并且没有异常音出现，频谱图上的故障频率分量则开始凸显，此时轴承逐渐进入到故障状态。故障预警初始阶段滚动轴承的振动、噪声、温度等均在正常范围内，故障频率虽然出现在超声段，但是频谱显示不够明显。二阶段轴承的振动幅值、振动速度、温度、噪声等均显著上升，故障频率谱中显示更加突出，此阶段传感器可以比较明显探测出轴承缺陷表面滚动所产生的脉冲。预警期的后阶段，在此阶段检测人员可以通过手摸、耳听感受故障振动。最后一个演变阶段是轴承故障运行阶段，此阶段中轴承处于失效状态，运行的温度明显上升，且运行伴有较大的噪声，振动幅值和振动速度明显增大。频谱上振动故障的频率逐渐消失，故障频率逐渐被宽带高频噪声所淹没。
2.1.3轮齿折断（断齿）
断齿往往是从初期的细微裂纹渐渐扩展形成的，结合裂纹扩展的实际情况与断齿原因，可以将断齿情况分为以下三种：（1）过载折断（包括冲击折断）；（2）疲劳折断；（3）随机断裂等。过载折断主要是因为齿轮所承受的压力超出了其自身的应力极限，致使裂纹快速的扩展，导致这一情况的常见原因包括冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。为此，在具体设计过程中要认真分析过载因素，安装过程中避免箱体发生变形，避免其他硬质杂物进入到箱子内部等。疲劳折断问题出现的根本原因是由于齿轮在受到较高的交变应力重复作用下，由危险截面的疲劳源逐渐出现疲劳裂纹并且渐渐扩展，导致齿轮剩余截面上方应力超出了极限应力，最终发生瞬间折断。主要原因包括设计荷载预估不足，材料选择不合理、齿根应力集中等。因此，设计过程中需要全分析传动的动荷载，确定最佳的齿轮菜蔬，选用适宜的材料与齿轮精度，确保齿轮加工的精确度，及时消除应力集中等。随机断裂通常是材料缺陷，点蚀、剥落或其它应力集中造成的局部应力过大，或较大的硬质异物落入啮合区引起。
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2.2风力发电机传动系统维护策略
2.2.1 齿轮箱维护与保养
齿轮箱维护和保养是风电机组传统系统维护的重要环节，齿轮箱检查工作主要是对齿轮箱内部结构进行一系列监测，发现齿轮箱中可能存在着的问题，然后根据实际情况进行处理。齿轮箱中存在着油位泄露情况，齿轮箱是否完整或者油量不足将会直接影响风电机组传动运行。齿轮箱中油量不足会导致齿轮间摩擦力增大，齿轮带压力增加，会导致齿面磨损进而影响齿轮箱中传输作用。对齿轮箱进行维护，必须对齿轮箱的弹性系统进行检查，及时更换或者维修，一旦发现问题就应及时进行更换，避免齿轮停止运动。
2.2.2滚动轴维护和保养
一般轴承运转不正常通常表现为轴承过热、噪声大、振动、轴承轴上松动、机械性能不达标、更换频率高等问题。轴承存在着不同程度的损坏，轴承过热通常是由于接触型摩擦油封太紧，可以采取更换接触型的油封，并润滑油封表面。轴承箱内孔不圆、轴承发生扭曲变形、箱孔内径过小或者支撑面不平均会导致轴承过热，必须维护中检查轴承箱、内孔，调整底座片分布情况。由于轴承的发热量和排热量不稳定，通常滚动轴承的运转初温速度会快速上升，达到正常状态不太稳定。温度达到稳定状态的时候，由于滚动轴承的发热量、冷却面积、轴承等热容量、润滑油量以及周围温度不同而不同。
2.2.3主轴系统的日常维护
主轴系统一般在安装后3个月、6个月、12个月进行检验。重要维护的内容包括：查看主轴轴承外观是否存在油脂溢出情况；机架上方油管固定牢固情况；油管接头是否卡住；油嘴有无堵塞情况。若存在油脂溢出情况，则应当及时排出废弃油脂，并使用抹布擦干净。每月加注润滑油脂380～520g，每季度800～900g。主轴承温升要小于60℃。检查主轴温度传感器接线有无松动、信号是否正常。检查主轴承座安装螺栓的紧固力矩，按照紧固力矩为2466Nm。检查主轴润滑泵接线有无松动，油脂是否足够。主轴技术用接近开关安装座固定螺栓有无松动，开关与技术盘距离2～4mm，接线有无松动，信号是否正常；确保防雷碳刷架安装螺栓无松动、碳刷与主轴接触良好、防雷导线安装螺栓无过量磨损。检查主轴承座前后端盖固定螺栓，紧固力矩为500Nm。主轴承座温度传感器探头与轴承外环接触状态无间隙，接线无松动。主轴非工作表面漆膜无肉眼可见裂纹，主轴承座与底架接触部分无肉眼可见明显位移。
2.2.4联轴器及制动器的维护
安装后3个月、6个月对联轴器进行维护和检修，首先，应当使风力发电机处于停止的状态下，各制动器维持在制动状态并锁定叶轮锁。若是情况特殊，要在风力发电机运行状态下对其开展检修与维护处理，那么应当安排工作人员值守在紧急开关旁边，以便于能够及时按下开关，进而使系统制动。为保障联轴器的使用性能，应当每年都开展两次同轴度检测。轴的平行度误差：±0.2mm，如误差超出±0.2mm，必须重新进行调整。联轴器制动盘端面跳动≤0.15mm，联轴器表面以及制动盘表面的检查：（1）对联轴器外观防腐涂层进行检查，查看有无脱落情况。（2）检查联轴器表面的清洁度。若是存在污物，应当使用无纤维抹布和清洗剂清理干净。（3）制动盘表面无油污、裂纹。检验联轴器过载保护机构标记有无过载现象，导电滑环安装牢固、无松动、表面无破损，机械零件表面肉眼检查无锈蚀，滑环接线及屏蔽有无松动、破损，滑环滑道有无磨损。
高速轴制动器风机运行后3个月，每6个月检查。制动器安装螺栓按2466Nm力矩检验。制动盘两侧对称，当每片摩擦片磨损了5mm厚度后必须更换。应测量摩擦片的厚度：所有的摩擦片是由钢质底板和摩擦材料层组成，总厚度为32mm。当检测到底板和摩擦材料层的总厚度为27mm时，摩擦片必须更换。摩擦片包装在密封的塑料袋里，安装前期不可随意打开包装以免造成污染。保护好摩擦片以防止其受到油污污染，即便是极少的油污也会对摩擦系统产生很大影响。首先，拆下显示开关。其次，拆下主动钳和被动钳的摩擦片复位弹簧和螺栓。制动器油管及接头无破损、松动、漏油，制动器摩擦片厚度不小于最小允许厚度，机械零件表面肉眼检查无锈蚀。
三、风机维护工作内容
3.1定期维护检修
定期检修维护工作的主要内容有：风机所有联接件之间的螺栓力矩检查（包括电气连接），各传动部件之间的润滑油脂和各项功能测试自检。定期维护可以让设备保持最佳期的运行状态，并延长风机的使用寿命。风机运行中时，各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动，为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切，定期对其进行螺栓力矩检查。
3.2日常维护检修
风机在运行中，首先要仔细检查风机内部的安全平台和梯子是否牢固，升降机是否工作正常，塔筒里的照明是否良好，液压站的表计压力是否正常液压油及齿轮箱油位是否在正常位置，转动部件与旋转部件之间有无磨损，齿轮油及液压油的滤清器的指示是否在正常位置及运转声音等。第二是听，听一下控制柜里是否有放电的声音或异常声音，有声音就可能是有接线端子松动，或接触不良，须仔细检查，听偏航时的声音是否正常，有无干磨的声响，听齿轮箱有无异响，听刹车闸盘与闸垫之间有无异响，听发电机的工作声音和轴承有无异响，听叶片的切风声音是否正常。第三，工作后要清理干净工作现场，便于今后工作中观察有无泄漏。
综上所述，风力发电机使用过程中，传动系统易发生各种故障问题，其对于系统运行稳定性及风力发电机使用效率均产生一定的限制作用。因此相关工作人员应充分掌握各种理论知识，对于相关故障问题制定针对性解决措施，并做好相应记录，便于同类问题处理。同时做好定期及日常维护工作，确保故障预防效果，降低经济损失，从根本上确保风力发电机传动系统运行质量。
参考文献：
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[3]时献江，房钦国，赵晓文，等.风力发电机传动系统故障诊断的机电仿真研究[J].电机与控制学报，2016，20（7）.
论文作者:高杨
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/25
标签：齿轮箱论文; 故障论文; 齿轮论文; 轴承论文; 联轴器论文; 主轴论文; 风力发电机论文; 《电力设备》2018年第3期论文;