风电传动系统可靠性研究综述

风电传动系统可靠性研究综述

田茂、徐志亭

中国绿发 CGDG鲁能新能源（集团）有限公司内蒙古分公司 内蒙古呼和浩特 010000

摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。随着我国科技的发展和经济水平的提升，在能源利用上为了满足当前可持续发展的基本国情，国家更加推崇使用无污染、可再生能源来代替煤、石油、天然气等传统资源。在这样的背景下，风力发电逐渐进入了我国新能源研究中心的视线，风能源的开发和利用都在一定程度上得到了社会的好评和人们的认可，但是对风力进行利用过程中，同样也要意识到，风力发电系统中的运行和维护以及故障诊断都是很重要的。本文就风电传动系统可靠性展开探讨。

关键词：传动系统；故障；可靠性

引言

随着风电机组装机容量逐年上升，对风电传动系统可靠性的要求也越发严格。然而，我国对风电机组传动系统的研究还处于初级阶段，并且其主要零部件的运行环境均十分恶劣。根据统计：在传动系统关键零部件的故障发生概率中，轴承占81%，齿轮占14%，螺栓占3%，这些关键零部件是引起风电机组停机的主要原因，在停机期间所造成的经济损失不可逆转。因此，为保证风电机组安全、稳定地运行，提高风电传动系统可靠性是发展的必然趋势。

1风电机组传动系统维修与故障诊断的意义

风力发电主要依靠的是风电机组传动系统间各个程序的相互配合，其次是风力发电工程的主要工作体系，风电机组传动系统运行过程以及运行模式时时刻刻都会对风力发电的速率以及效率产生影响。风电机组系统内部如果发生故障未得到及时的处理，很有可能会对整个机组造成零部件的损坏，降低其使用寿命，严重的还可能会对齿轮组或者主轴承等大型关键性零件造成散落或者零碎，最终导致风电机组系统瘫痪，无法正常使用，所以，对风电机组传动系统的维修与故障分析诊断工作一定要有条理性，有时效性，要严格控制好风电机组系统的稳定程度，及时发现故障位置，降低故障发生风险，是对风电机组保护的重要方法，也是提高能源利用率和能源产生速率的有效手段。

2风电机组传统系统故障类型及诊断

2.1滚动轴承故障

（1）滚动轴承故障类型。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。（2）滚动轴承故障演化。一般轴承刚刚投入使用之后，可检测到其振动信号振幅较小，整个频谱很散乱。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。

2.2齿轮箱故障

齿轮箱经常发生的故障主要是齿轮老化退化和齿轮面脱落以及齿面腐蚀等问题，导致齿轮相互之间咬合不严密，导致齿轮脱扣或者齿轮以及腐蚀脱落等现象，对这种情况的处理方法主要就是利用内窥镜和油液检测手段按时每半年保证对齿轮咬合程度进行检测，如果发现有以上现象，应该及时对齿轮咬合度进行修正，必要时可以进行更换，避免因为齿轮咬合松动导致齿轮脱落或脱扣甚至腐蚀等现象。总而言之，在风电机系统中，齿轮箱发生故障的几率比较小，但是一旦有了毛病，就会造成很大的损失，所以，技术工作监管人员应该具备高度的责任感和义务，严格严谨的对齿轮箱的运行状态进行实时监控。

2.3螺栓故障诊断

螺栓是风电传动系统的主要连接元件，其断裂的主要原因有螺栓本身质量不合格、过载以及预紧力控制不当等。关于其故障诊断技术的研究已经得到国内外学者的普遍重视，现有的研究可以较为准确地进行单个螺栓的应力应变计算，但没有考虑连接系统的整体性，多数研究以一对螺栓进行分析，在实际中存在更为复杂的连接结构。针对以上问题，以整体螺栓为研究对象，弥补了现有研究中存在的缺陷，但没有对单个螺栓连接进行准确计算。对传统故障诊断的方法进行优化，综合考虑连接结构的整体性，采用非线性接触分析理论并进行仿真分析，但风电机组高强度螺栓故障种类多样，实际测试信号不足，实验结果误差大，且仿真结果的精确度还有待提高。

3风电机组传动系统维护策略

3.1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。

3.2齿轮箱的维护与保养

1. 清洁齿轮箱箱体表面,并仔细检查齿轮箱的外观是否存在管道或箱体渗透现象,箱底放油阀是否存在松动或渗漏现象,尽可能杜绝由于放油阀松动或渗透而引发的齿轮油大量泄漏现象发生。第二,检查齿轮轴散热器以及温度、压差、压力、油位、温度等传感器的接线是否正常,以及导线是否存在磨损现象。第三,采用油位窗或油标尺来检查齿轮箱有色以及油位有无异常。如果油色较黑较深时,则应及时检验油质,并强化机组运行监视力度。如果出现滤清器堵塞报警的情况,应第一时间对其进行检查与维护,全面清洁滤清器内部,并更换滤芯;如果油位较低,则应立即补充。第四,检查齿轮箱有无异常噪音的发生。

3.3轴承寿命预测及优化

目前，对传动系统轴承的研究还集中在单一工况下的寿命预测，相比于实际轴承的剩余寿命差距过大。针对以上研究难点，通过在不同工况下的接触分析，建立更为合理的轴承修正的疲劳寿命模型，可以较大地改善疲劳寿命预测的准确性。在轴承优化设计方面，应充分考虑风载、润滑、温度等多个因素对轴承的影响，从风电轴承的可靠性、安全性、经济性等多个角度进行设计。

结语

我国目前对风力发电技术熟练度还存在着一些实践上的缺陷，对于风电机的传统系统来说，齿轮-主轴的维护保养工作是当前对风电机整体系统正常的运行起到关键性作用的一步，它关系到整个风力发电系统的效率。相关部门应该加大对风电机组传动系统维护和故障诊断工作的力度，积极排除疑难问题，在一定程度上可以保证我国能源的可持续发展。

参考文献

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