畢業(yè)設(shè)計(jì)--風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障及其分析

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）</b></p><p>　　2010 級 風(fēng)能與動力技術(shù) 專業(yè)</p><p>　　題 目： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障及其分析 </p><p>　　畢業(yè)時間： 二 O 一 三 年 六 月 </p><p>

2、;　　學(xué)生姓名： X X X </p><p>　　指導(dǎo)教師： X X X </p><p>　　班 級： 10風(fēng)電（1）班 </p><p><b>　　目 錄</b></p>

3、<p><b>　　一、緒論1</b></p><p>　　(一)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的意義1</p><p>　　二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障診斷2</p><p>　?。ㄒ唬╋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的常見故障模式及機(jī)理分析2</p><p>　?。ǘX輪箱典型故障振動特征與診斷策略6</

4、p><p>　?。ㄈ┽槍X輪箱不同故障的改進(jìn)措施9</p><p><b>　　三、結(jié)論12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn):12</b></p><p><b>　　致 謝13</b></p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障及

5、其分析</p><p>　　摘 要:隨著全球經(jīng)濟(jì)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(hù)兩方面的壓力，能源問題和環(huán)境污染日益突出。風(fēng)能作為一種蘊(yùn)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(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了較為廣泛的使用和迅速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電己成為世界各國更加重視和重點(diǎn)開發(fā)的能源之一。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的增加，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時，不僅會造成停電，而且會產(chǎn)生

6、嚴(yán)重的安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。</p><p>　　本論文先探討了課題的實(shí)際意義以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見的故障模式，在這個基礎(chǔ)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(jìn)設(shè)計(jì)。通過對常見故障的分析，給風(fēng)力發(fā)電廠技術(shù)維護(hù)提供故障診斷幫助，同時也給風(fēng)電設(shè)備制造和安裝部門提供理論研究依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī);故障模式;齒輪箱;故障診斷&l

7、t;/p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　(一)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的意義</p><p>　　風(fēng)電對緩解能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)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(fēng)電機(jī)組在我國得到了廣泛的安裝使用。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的增加，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障也成為一個不容忽視的問題。&l

8、t;/p><p>　　隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時間的加長，目前這些機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了故障（包括風(fēng)輪葉片、變流器、齒輪箱、變槳軸承，發(fā)電機(jī)、以及偏航系統(tǒng)等都有），導(dǎo)致機(jī)組停止運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時，不僅會造成停電，而且會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。風(fēng)電機(jī)組的部分部件一旦損壞，在風(fēng)電場無法修復(fù)，必須運(yùn)到專業(yè)廠家進(jìn)行修理。因其維修費(fèi)用高、周期長、難度大，勢必給風(fēng)電場造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。</p><

9、p>　　風(fēng)電機(jī)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(dāng)風(fēng)電機(jī)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(jī)畫面質(zhì)量下降、電動機(jī)轉(zhuǎn)速不均和影響電子儀器、計(jì)算機(jī)、自動控制設(shè)備的正常工作狀況等。風(fēng)電機(jī)組的故障也會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)從額定出力狀態(tài)自動退出并網(wǎng)狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫網(wǎng)會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的突降，而機(jī)端較多的

10、電容補(bǔ)償高于脫網(wǎng)前風(fēng)電場的運(yùn)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(shè)備的正運(yùn)行，甚至?xí)绊懙秸麄€電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因?yàn)殚L期工作在野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中，其損壞率高達(dá)40％-50％。同時，由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的維護(hù)技術(shù)跟不上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度，一旦其關(guān)鍵零部件(如齒輪、軸承、葉片等)發(fā)生故障，將會使設(shè)備損壞、發(fā)電機(jī)停機(jī)，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。例如,20

11、06年，德國北部奧爾登堡的一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片被強(qiáng)風(fēng)刮斷,長達(dá)10米的沉重碎片飛到20米遠(yuǎn)的田地里，造成了嚴(yán)重的事故;2007年，榮成市港西鎮(zhèn)附近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)因齒輪油泄漏，導(dǎo)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(fēng)機(jī)維護(hù)主要分為定期檢修和日常排故維護(hù)兩種方式。定期的維護(hù)保養(yǎng)可以讓設(shè)備保持最佳狀態(tài)，并延長風(fēng)機(jī)的使用壽命，是重要的維護(hù)方式。但是定期維修可能存在維修不足、維

12、修過剩的問題。日常排故維護(hù)是在風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時及時去現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備檢修，為了避免因故障造成意外停電，還要求維護(hù)人員能夠?qū)崟r監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測、診斷故障。</p><p>　　隨著野外裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷也就顯得越來越重要了。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)兩大部分組成，其中發(fā)電機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，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)

13、中易發(fā)生故障的部分。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到的風(fēng)場切片風(fēng)復(fù)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(jī)械或電氣故障。因此開展對風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的研究，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的早期故障并進(jìn)行維修，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，對保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常安全運(yùn)行具有重大的實(shí)際意義。</p><p>　　二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障診斷</p><p>　?。ㄒ唬╋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的常見故障模

14、式及機(jī)理分析</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個重要的機(jī)械部件，它安裝在距地面幾十米高架塔之上狹小的機(jī)艙內(nèi)，其主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，它的正常運(yùn)行關(guān)系到整機(jī)的工作性能。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪的增速作用來實(shí)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、

15、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(fù)雜，裝配精度高，再加上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)械設(shè)備的正常工作，故對齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行診斷是故障診斷技術(shù)問世以來一直受到人們普遍重視的課題之一。</p><p>　　風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展和單機(jī)容量的增加，使得風(fēng)力機(jī)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(jī)組的投入運(yùn)行，齒輪箱的故障頻率也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，

16、一臺風(fēng)力機(jī)故障停機(jī)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(fèi)用，長時間停機(jī)造成的發(fā)電量損失也是巨大的。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)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

17、。</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(yù)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(fù)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,

18、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(dá)到非常嚴(yán)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，它是角于在輪齒的嚙合中進(jìn)入細(xì)顆粒而引起損壞。這種顆粒可能是來自鑄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(jī)理，可將齒輪的磨損劃分為四個基本類型：磨粒磨

19、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(guān)。疲勞磨損是在循環(huán)應(yīng)力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果,而腐蝕磨損則是由環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用產(chǎn)生。在實(shí)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(cè)隙加大，以至由于齒輪過度減薄導(dǎo)致斷齒。</p><p><b>　　2.膠合和擦傷&l

20、t;/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(dǎo)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

21、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?xí)?，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垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。</p><p><b>　　3.接觸疲勞與點(diǎn)蝕</b></p><p>　　齒輪在實(shí)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(diǎn)兩側(cè)的方向相

22、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(yīng)力，當(dāng)這種剪應(yīng)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(kuò)展，最終導(dǎo)致齒面剝落細(xì)小金屬片，在齒面上形成小坑，稱之為點(diǎn)蝕。當(dāng)點(diǎn)蝕現(xiàn)象嚴(yán)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(shí)際嚙合過程中，既有相對滾

23、動，又有相對滑動，從而產(chǎn)生脈動載荷，進(jìn)而產(chǎn)生剪應(yīng)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(dāng)這種剪應(yīng)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>　　在過大的接觸剪應(yīng)力和應(yīng)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(jìn)一步擴(kuò)展而造成的齒面損傷，其表現(xiàn)形式有破壞性點(diǎn)蝕、早期點(diǎn)蝕、齒面剝落、和表面壓碎等。特別是破壞性點(diǎn)蝕，常在齒輪嚙合線部位出現(xiàn)，并且不斷擴(kuò)

24、展，使齒面嚴(yán)重?fù)p傷，磨損也會加大，最終導(dǎo)致斷齒失效。正確進(jìn)行選擇好材質(zhì)，齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)，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><b>　　4.彎曲疲勞與斷齒</b></p><p>　　在齒輪運(yùn)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(yīng)力作用最大，當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過齒輪材料

25、的疲勞極限時，會產(chǎn)生根部裂紋，并逐步擴(kuò)展，當(dāng)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(yán)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(kuò)展的情況和斷齒原因。斷齒包括過載折斷（包括沖擊折斷）、疲勞折斷以及隨機(jī)斷裂等，斷齒常由細(xì)微裂紋逐步擴(kuò)展而成。</p><p>　　疲勞折斷發(fā)生從危險(xiǎn)截面（如齒根）的疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使輪齒剩余截面上的應(yīng)

26、力超過其極限應(yīng)力，造成瞬時折斷。其根本原因是輪齒在過高的交變應(yīng)力重復(fù)作用，在疲勞折斷的處，是貝狀紋擴(kuò)展的出發(fā)點(diǎn)并向外輻射。產(chǎn)生的原因有很多，主要是材料選用不當(dāng)、齒輪精度過低、熱處理裂紋、磨削燒傷、齒根應(yīng)力集中等等。因此在設(shè)計(jì)時需要考慮傳動的動載荷譜，優(yōu)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(yīng)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(yīng)力超過其極限應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)

27、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(kuò)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(xì)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(xì)處理等。在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取必要的措施，充分考慮預(yù)防過載因素。安裝時防止箱體變形，防止硬質(zhì)異物進(jìn)入箱體內(nèi)等等。</p><p><b>　　5.其它故障</b></p>

28、;<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(yīng)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(yīng)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，光潔度要求較高，軸的強(qiáng)度應(yīng)足夠，軸上的鍵槽、花鍵等結(jié)構(gòu)也不能過分降低軸的強(qiáng)度。保證相關(guān)零件的剛度，防止軸變形，可以提高軸的可靠性。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于安裝、潤滑、維護(hù)等方面的原因，套圈與滾動體表

29、面之間經(jīng)受交變負(fù)荷的反復(fù)作用，而產(chǎn)生裂紋、點(diǎn)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(fēng)力發(fā)電廠一般處在遠(yuǎn)離居民住宅的偏僻地區(qū)，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)無外在保護(hù)設(shè)施。這種特殊的環(huán)境對齒輪箱的正常運(yùn)行具有不良的影響，下面主要從風(fēng)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(fēng)場氣流的影響：風(fēng)場氣流的不穩(wěn)定性使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱長期處于復(fù)

30、雜的交變載荷下工作，由于風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)變化，導(dǎo)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(yīng)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(shè)備長時間運(yùn)行會加速裂紋的產(chǎn)生并導(dǎo)致剝落，點(diǎn)蝕、麻點(diǎn)、凹坑等損傷，即為疲勞磨損。</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(fēng)載荷的大小隨機(jī)變化，會出現(xiàn)

31、過載荷的循環(huán)作用，導(dǎo)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(fù)作用下出現(xiàn)小裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)生麻點(diǎn)，最后大面積剝落，使齒輪和箱體損壞。</p><p>　　在過載或交變應(yīng)力載荷作用下，易發(fā)生斷軸故障。當(dāng)載荷超過應(yīng)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(yīng)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

32、溫會對齒輪箱正常運(yùn)行帶來不利影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)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)潤滑不良，會導(dǎo)致齒輪或軸承短時缺乏潤滑而出現(xiàn)膠合、點(diǎn)蝕等損壞。而且材料自身在低溫下的機(jī)械特性會發(fā)生變化，即變脆，導(dǎo)致齒輪在運(yùn)行時出現(xiàn)裂紋而產(chǎn)生破壞。</p><p>

33、　　當(dāng)氣溫較高時，由于齒輪箱在動力傳遞的過程中會使油溫進(jìn)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(jìn)行擠壓，加速裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致齒面金屬小微粒剝落，即齒面點(diǎn)蝕。</p><p>　　當(dāng)摩擦生熱繼續(xù)增大，齒面工作區(qū)溫度達(dá)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>　　

34、（二）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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行引起了很多新問題，如主軸載荷、葉輪轉(zhuǎn)速和齒輪箱的增速比等。 同時由于載荷的增加不再像小風(fēng)機(jī)那樣拆裝容易，因此一旦出現(xiàn)故障, 將會對發(fā)電造成很大的影響。特別是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)造價昂貴，一旦發(fā)生嚴(yán)重事故，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)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

35、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(zhǔn)確位置，大大減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)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(shí)現(xiàn)的。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時進(jìn)行信號采集，將采集到的信號處理保存，在某一次風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行異常時對信號進(jìn)行采集。通過對正常運(yùn)行和異常運(yùn)行時的頻譜進(jìn)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(jìn)行總結(jié)來確定故障發(fā)生的部

36、位，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)控，以避免嚴(yán)重的故障產(chǎn)生。</p><p>　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱和主軸的適當(dāng)位置放置振動傳感器。對具有故障的齒輪箱振動信號進(jìn)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(xì)化譜及解調(diào)譜分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動信號進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的信號采集系統(tǒng)主要包

37、括振動傳感器、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路、無線信號發(fā)射模塊、無線信號接收模塊及PC機(jī)。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>　　通過振動傳感器采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動信號，將采集的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)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(jī)，完成整個

38、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(zhuǎn)頻與其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率上出現(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(zhuǎn)頻階數(shù)較少，一般以一階為主。而當(dāng)齒形誤差嚴(yán)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

39、在軸轉(zhuǎn)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?yàn)闊o沖擊振動信號產(chǎn)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(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，但幅值較小。</p

40、><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(zhuǎn)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。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(zhuǎn)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>

41、;<b>　　4.箱體共振</b></p><p>　　出現(xiàn)箱體共振時，對于薄板結(jié)構(gòu)，齒輪箱的一階固有頻率占主導(dǎo)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率及其諧波為載波頻率，故障齒輪或軸所在軸轉(zhuǎn)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

42、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(zhuǎn)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><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(zhuǎn)頻

43、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(yán)重彎曲</b></p><p>　　軸嚴(yán)重彎曲時，齒輪嚙合過程中會有連續(xù)多次的沖擊振動，當(dāng)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

44、軸轉(zhuǎn)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><p>　　當(dāng)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(yán)重

45、的不平衡</p><p>　　軸嚴(yán)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(zhuǎn)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?。还收陷S的轉(zhuǎn)頻成分有較大的增加；軸向振動能量有較大的增加。</p><p>　　10.軸承疲勞剝落和點(diǎn)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

46、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(dāng)軸承出現(xiàn)剝落故障并運(yùn)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，振動能量通過滾動體傳到外圈上，激起外圈固有頻率。齒輪箱中故障軸承的載波頻率一般為外圈的各階固有頻率，調(diào)制頻率為產(chǎn)生剝落元件的通過頻率。</p><p>　　齒輪箱故障診斷應(yīng)用的信號處理方法有時域分析

47、和頻域分析兩個方面。時域分析常用統(tǒng)計(jì)值有均值、均方值、方差、均方根值、均方幅值、峭度和峰值指標(biāo)等。頻域分析包括頻譜、細(xì)化譜和解調(diào)譜分析。</p><p>　　由于振動信號的時域均方值反映了平均振動能量，時域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上反映出振動信號是否含有沖擊成分，而包絡(luò)時域均方值可直接反映出振動信號包絡(luò)大小，峰值、峭度和峰值指標(biāo)則可直接反映出振動沖擊信號的尖銳程度，所以在時域一般選用這四個特征值作為診斷參量

48、。在齒輪箱故障診斷中頻譜主要用于分析振動加速度信號中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)、外環(huán)固有頻率等中高頻成分；細(xì)化譜主要用于分析振動速度信號中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分；解調(diào)譜主要用于分析振動加速度信號中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分。</p><p>　?。ㄈ┽槍X輪箱不同故障的改進(jìn)措施</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過程中，由于齒輪箱本身制造不良、操作維護(hù)不善等，均可能

49、導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生故障，會給風(fēng)電場造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。因此，必須對各種故障進(jìn)行分析并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施，來確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定的工作。</p><p><b>　　1.齒輪損壞</b></p><p>　　齒輪箱故障中，齒輪故障比例最大。齒輪損傷有齒輪折斷、齒面損傷兩種形式。齒輪折斷是由于設(shè)計(jì)的應(yīng)力小于作用在齒輪上的極限應(yīng)力，或齒輪承受過高

50、的交變載荷，設(shè)計(jì)疲勞載荷不足。由于齒面承受過大的接觸剪應(yīng)力、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、潤滑不良、熱處理和安裝調(diào)試等原因，齒面容易發(fā)生包括膠合、點(diǎn)蝕、齒面剝落、表面壓碎等損傷。</p><p>　　由于風(fēng)載的不穩(wěn)定性，無法通過經(jīng)驗(yàn)得到正確的載荷數(shù)值，齒輪箱設(shè)計(jì)時要選擇合理的載荷應(yīng)用系數(shù)，充分考慮預(yù)防過載因素和載荷動載荷譜，正確選擇齒輪參數(shù)、材料和齒輪精度；保證加工精度，消除應(yīng)力集中；安裝時充分清潔，防止異物進(jìn)入箱體，并按規(guī)范運(yùn)

51、行、維護(hù)。故障發(fā)生后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析故障原因。</p><p><b>　　2.軸承損壞</b></p><p>　　軸承是齒輪箱的重要部件。由于安裝、潤滑、污染和軸承疲勞等因素，造成軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等而失效，從而使齒輪箱產(chǎn)生損壞。齒輪箱設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮軸承載荷，選擇合理的安全余量，正確選擇軸承類型，保證軸承潤滑，規(guī)范安裝，并且加強(qiáng)對軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控

52、。如有異常及時停機(jī)，避免由于軸承的損壞而對齒輪箱造成災(zāi)難性的破壞。</p><p><b>　　3.齒輪油泵過載</b></p><p>　　齒輪油泵過載通常發(fā)生在北方寒帶風(fēng)電場。在冬季低溫環(huán)境下，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組由于各種原因長期停機(jī)后，齒輪箱內(nèi)油溫較低，齒輪箱潤滑油粘度較高，造成油泵啟動時負(fù)載較重，從而導(dǎo)致油泵電機(jī)過載。</p><p>　　潤滑油

53、溫度過低，粘度過大時，應(yīng)在待機(jī)狀態(tài)下，啟動加熱器，將油溫加熱至正常溫度，再開機(jī)運(yùn)行。盲目開機(jī)會造成齒輪油泵損壞。 </p><p>　　油泵過載另外的原因是，油泵密封老化，潤滑油進(jìn)入油泵內(nèi)而造成油泵過載。這種情況應(yīng)該更換油封，清洗油泵，油泵干燥后方可恢復(fù)運(yùn)行。</p><p><b>　　4.齒輪箱油溫過高</b></p><

54、;p>　　最新國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪箱油溫不能超過85°，造成齒輪箱油溫過高的有以下幾種因素：潤滑不充分、傳動部件存在卡滯現(xiàn)象、機(jī)組振動過大、溫度傳感器故障等。</p><p>　　正常情況下，齒輪箱不會出現(xiàn)油溫過高現(xiàn)象，若齒輪箱出現(xiàn)異常高溫現(xiàn)象，需仔細(xì)分析，判斷發(fā)生故障的原因。首先應(yīng)檢查潤滑油供應(yīng)是否充分。再次檢查齒輪嚙合情況，有無金屬雜質(zhì)，傳動部件有無卡滯現(xiàn)象，再次檢查機(jī)組的振動情況和溫度傳感器是否

55、正常工作。如果是因?yàn)闄C(jī)組長時間滿發(fā)而導(dǎo)致的溫度過高，不可盲目開機(jī)，應(yīng)在機(jī)組油溫恢復(fù)正常值后開機(jī)運(yùn)行。</p><p><b>　　5.齒輪油位低</b></p><p>　　齒輪油位低是由于油位低于下限，可能的故障原因有：冬季長時間停機(jī)后油溫度降低，油位開關(guān)因?yàn)辇X輪油粘度太高而動作遲緩，產(chǎn)生誤報(bào)；傳感器損壞不能正確報(bào)警；齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)前的靜止油位與動態(tài)油位相差太大，動態(tài)油

56、位偏低，不能正常報(bào)警。</p><p>　　風(fēng)電機(jī)組發(fā)生該故障后，運(yùn)行人員應(yīng)及時到現(xiàn)場檢查齒輪油位，必要時測試傳感器功能。此類故障應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出正確的判斷，以免造成不必要的重大損失。</p><p><b>　　6.齒輪箱漏油</b></p><p>　　齒輪箱的接口端和管接頭處由于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理或者密封質(zhì)量問題，均有可能導(dǎo)致漏油，同

57、時漏油處也容易造成外部灰塵進(jìn)入箱體而污染潤滑油。</p><p><b>　　7.潤滑油壓力低</b></p><p>　　齒輪箱強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)工作壓力低于正常值而導(dǎo)致壓力開關(guān)動作；也可能是由油管或過濾器不通暢或油壓傳感器電路故障及油泵磨損嚴(yán)重導(dǎo)致的。</p><p>　　出現(xiàn)該故障時，就需要在壓力試驗(yàn)臺上重新調(diào)定壓力開關(guān)動作值。油壓傳感器故障應(yīng)

58、先排除；油泵的嚴(yán)重磨損必須更換新油泵；找出不通暢油管或過濾器進(jìn)行清洗。</p><p>　　目前來看，齒輪箱漏油問題基本是屬于設(shè)計(jì)缺陷。設(shè)計(jì)時應(yīng)仔細(xì)考慮密封結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制密封件的質(zhì)量，規(guī)范安裝，防止安裝時劃傷密封件。一旦現(xiàn)場發(fā)生漏油事故，應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，分析問題所在，采取切實(shí)可行方案，并檢測潤滑油有無受到污染。 </p><p>　　隨著國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱質(zhì)量

59、已比較可靠，國內(nèi)主要齒輪箱生產(chǎn)廠家已較好地掌握了設(shè)計(jì)核心技術(shù)，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)研發(fā)的能力。在設(shè)計(jì)平臺方面，采用UG、Solidworks和Proe等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維造型， ANSYS、ADAMS等軟件做結(jié)構(gòu)分析，Romax、Smart和Kissoft軟件做系統(tǒng)分析等，為風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐和保障。通過合理分析齒輪箱載荷，選擇合適齒輪參數(shù)與軸承，加強(qiáng)齒輪箱各個部件的加工與裝配，并且按照規(guī)范做好日常維護(hù)和定期的維護(hù)保養(yǎng)，上述的故障

60、形式出現(xiàn)的頻率就會越來越少，風(fēng)電齒輪箱就完全可以在高山、荒野、海灘、海島等惡劣的自然環(huán)境中穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。</p><p><b>　　三、結(jié)論</b></p><p>　　本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障作了簡要的分析，但是隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，以及設(shè)備運(yùn)行時間越來越長，風(fēng)場環(huán)境中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的故障模式也會相對增多。因此，開展對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷的研究具有重大

61、意義。</p><p>　　通過頻譜分析對比可以找出齒輪箱故障。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境一般比較惡劣,各種干擾較大，涉及問題較多，齒輪箱典型故障的提取是一項(xiàng)難度較大的工作，還需要進(jìn)一步研究。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在野外，工作環(huán)境非常惡劣，發(fā)生故障的位置比較復(fù)雜，同時發(fā)生故障的幾率也比較大，因此有必要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取多種診斷方法，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個部位及周圍的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時

62、監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時的故障，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p>　　[1]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝·運(yùn)行·維護(hù)[M]/任清晨主編.——北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010·4.（2011·7重?。?lt;/p><p>　　[2]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)[M]/

63、霍志紅,鄭源，左潞，張德虎編著·——北京：中國水利水電出版社，2010·5.</p><p>　　[3風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)[M]/張俊研，李玉軍，張振偉主編.——天津：天津大學(xué)出版社，2011·1.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在指導(dǎo)老師趙玉麗師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的。從

64、課題的選定、工作的實(shí)施到論文的撰寫和修改，無不滲透著趙老師的關(guān)愛。在整個設(shè)計(jì)過程中，趙老師給予我很多寶貴的建議，幫助我建立了正確的設(shè)計(jì)思想，保證了設(shè)計(jì)工作的順利完成。我從她那里學(xué)到的不僅僅是學(xué)術(shù)方面的知識，更重要的是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)。在此，謹(jǐn)向趙老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　感謝新能源、機(jī)電工程學(xué)院的各位老師，正是因?yàn)槟鷤円唤z不茍、任勞任怨的教學(xué)，我們才能具有扎實(shí)的基本功