魏阳阳
华润风电（海原）有限公司 宁夏回族自治区中卫市 755200
摘要：自21世纪以来，随着社会科技的进步和经济的发展，在全球能源危机和环境危机日益严重的情况下，风能资源愈发受到全球的普遍关注。风能是最具商业潜力的可再生资源之一；使用清洁，成本较低，风能可以有效的环节空气污染和水污染及全球变暖的问题，因此近几年以来风力发电成规模化发展。然而在风力发展规模化发展的同时，风力发电机的故障及突发事故也是频繁发生，严重影响了正常生产发电，给国家的经济发展带来不接估量的损失。为了保证风力发电的安全稳定运行，减少事故的发生，研究开发风力发电机齿轮箱状态的监测与故障诊断系统有着非常重要的意义。
关键字：风力发电机齿轮箱 状态监测 故障诊断 系统 研究
一、概述
近些年随着社会的发展和科技的进步，能源危机和环境危机是摆在人类面前亟待解决的两大难题，尤其是随着人口数量的激增，人类对能源的需求也是日益攀升。目前可供人类使用的能源大部分是石油天然气等不可再生资源，而且随着人类肆无忌惮的开采，不可再生资源的储量也在快速的减少，直至多年以后，大部分我们目前所能利用的不可再生资源会消耗殆尽直至枯竭。据调查显示，核能、太阳能、风能等是21世纪人类可利用的主要能源，然而不管是发生在切尔诺贝利的核电厂四号反应堆的爆炸还是日本福岛的强震引发福岛第一核电站核泄漏的事故，都对世界范围内的核能利用提出了更加严峻的挑战，这也使得人类对于新能源的开发和利用提出了更高的要求。
二、风力发电机齿轮箱常见故障诊断
2.1风力发电机齿轮箱结构
风力发电机齿轮箱是风力发电机的重要组成部分，根据布局的不同，一般的结果也会存在较大的差异，但主体普遍是由五部分组成，分别是箱体、齿轮、轴承、轴、润滑系统。齿轮箱体不仅连接和支撑齿轮、内齿圈、轴等部件，还能把动力平顺的传递给输出轴。在运行期间，同时承受动、静载荷。载荷取决于传动轴、联轴器等内部元器件的质量和特性以及发电机外部的工作条件。
根据传动方式的不同，可以将风力发电机齿轮箱的种类分为三种，分别是定轴齿轮传动、行星齿轮传动以及它们的组合传动；一级行星齿轮传动加两级定轴齿轮传动、两级或三级定轴齿轮传动、两级行星齿轮传动加一级定轴齿轮传动则是根据齿轮箱结构划分；一级行星齿轮传动加二级定轴齿轮传动的形式则常见于国内风机齿轮箱，具体结构如图所示。
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2.2风力发电机齿轮箱常见故障及信号特征
（1）齿面磨损。
齿面磨损是在运行过程中，由于齿轮之间相互咬合的作用力，齿轮表面会发生摩擦损伤。而齿面磨损分为两种：一种是正常磨损，指磨损公差在正常运行的允许范围内，磨损量对齿轮的正常工作不会产生影响且齿轮没有明显的擦伤。第二种是非正常磨损，主要是由于齿轮材质、齿面上的杂质颗粒或润滑异常等方面导致；齿面磨损严重，齿轮的尺寸和公差与允许范围相差较大，导致齿轮形状发生改变，噪声也因此增大。 齿面磨损一般分为三种，主要是腐蚀磨损、磨粒磨损和冲击磨损。振动信号一般当齿轮发生均匀磨损故障时，不会发生明显的改变；但当振动信号的波形有明显的冲击现象，频谱的啮合频率及谐波的幅值出现大幅改变时，很大的原因是齿面发生严重的非均匀磨损。
（2）齿面点蚀。
齿面点蚀是指在运行过程中，齿面材料在变化接触力的作用之下而产生的麻点状损伤的现象。主要是由于齿轮在啮合过程中，变化接触作用力会让齿轮内部产生切应力，在切应力的作用下，齿轮表面会发生部分金属剥落，从而出现麻点状损伤。齿面点蚀最初的点蚀并不影响齿轮的正常工作，但是随着时间的推移，蚀点会越来越大，出现明显的剥落现象，导致齿面的形状发生改变，影响齿轮甚至整个齿轮箱的正常工作。点蚀首先出现在齿根面上，然后再向其他方向扩展；因此，最初的点蚀信号一般没有大幅度的改变，但发生较严重的点蚀时，则会产生很大的冲击。
（3）齿面胶合。
齿面胶合是当齿轮运转时间，由于两齿轮的相对滑动，在齿轮表面撕裂成沟纹的现象。
齿面胶合会对齿面产生严重的破坏，而引起齿面胶合的因素则主要是载荷、齿面相对润滑的速度和形态及齿轮自身的材质尺寸等。齿面胶合可分为两种，分别是冷胶合和热胶合两种。在低速重载的齿轮中更容易产生冷胶合的现象；而热胶合一般发生在高速重载工况中。
（4）断齿。
齿轮的承受力是有一定限度的，在实际的工况中，当轴所承受的冲击力会作用到齿轮的啮合处，使齿轮的承受力大幅增加，就会产生裂纹，长期处于此冲击环境下，极有可能会导致断齿。断齿现象还有齿轮偏心、较重的偏载等因素。当振动信号出现波动且出现对应的故障频率时，则很大原因是齿轮出现断齿故障。
（5）其他故障。由于实际工况中，齿轮箱的性能和材质的不同，还会出现其他的各种故障，如齿面疲劳和齿形误差等； 应根据具体原因具体分析。
三、风力发电机齿轮箱状态监测与故障诊断
齿轮箱故障率的增加主要是由于其内部结构和受力情况比较复杂，尤其是在运行工况和载荷发生变化时。而齿轮箱发生故障时，会导致风力发电机的故障，不仅维修成本高，而且会对风力生产发电产生巨大影响， 因此对齿轮箱进行状态监测和故障诊断显得尤为重要。齿轮箱比较常见的故障部分分别是齿轮和轴承，齿轮常见的故障一般是断齿、齿面疲劳、齿面胶合等，轴承常见的故障一般是磨损、点蚀、裂纹、表面剥落等；不管是哪一种故障，一旦发生都会严重影响到齿轮箱的正常运转工作，从而危机风力生产发电量。
目前比较常用的检测手段主要是振动监测和温度监测。振动监测主要是根据使用振动监测仪器对齿轮箱测得的实际运行数据与设计数据进行对比分析，从而判断齿轮箱中各元器件的运行状态是否正常。温度测量法主要是根据温度传感元器件对齿轮箱内部的零部件进行测温，并对运行过程中温度变化进行实时监测，将实际运行的数据与常态化运行数据进行对比分析，从而判断齿轮箱内各元器件是否有运行异常导致发热的情况
由于风力发电机的各个元器件组装繁琐，拆卸检修困难，实际运行环境又存在很多的困难之处，所以增加了对发电机的检修难度。目前发电机维护检修主要是计划检修和停机检修两种手段，但此种手段会极大的提高维修成本，而且由于检修过程中对某些运行正常的元器件不必要的拆卸工作也会增加发电机的故障几率。因此利用风力发电机齿轮箱状态监测和故障诊断系统不仅可以提高发电机运行的可靠性和稳定性，减少因为非计划停机和定期维修等产生的维修成本；也可以通过对发电机齿轮箱内部的运行状态进行实时监测，更加全面的获取发电机运行过程中的各项数据，并对这些采集的收据进行对比分析整理后，进行针对性的优化，做好防范和应急措施，进而减少发电机齿轮箱的故障概率，提升风力发电的经济性和稳定性。
参考文献
[1] ]赵铁印.双馈式风力发电机组发电机滚动轴承状态监测及故障诊断方法的分析[J].科技风,2018(9):195.
[2] 赵勇.风力发电机状态监测与故障诊断技术综述 [J].热力发电,2016,45(10）:1-5.