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风电齿轮箱高速轴轴承报警原因分析及排查措施

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：王福东

[导读] 摘要：风电齿轮箱是风力发电设备中的重要组成部分及核心传动组件，风电齿轮箱的运行状况直接关系到风力发电机的效率和产出。

        （南京高速齿轮制造有限公司江苏南京 210000）
        摘要：风电齿轮箱是风力发电设备中的重要组成部分及核心传动组件，风电齿轮箱的运行状况直接关系到风力发电机的效率和产出。而风电齿轮箱高速轴作为风电齿轮箱的输出连接轴，其转速高，受冲击载荷影响，导致其易发生各种问题，是风电齿轮箱中风险最高的一个部件。本文对风电齿轮箱高速轴中的典型故障-高温报警的故障原因进行了详细的分析，并提出了切实可行的处理方案，为风电齿轮箱的故障排查处理及稳定运行提供保障。
        关键词：高速轴、高温、堵塞、温控阀、流量、轴承、润滑油
        0 引言
        风电齿轮箱为闭式齿轮箱，轴承高速转动时产生的热量主要通过喷油环来进行强制润滑冷却。若润滑油液不足则会导致轴承在高速转动情况下得不到充分润滑，加速轴承损坏，同时系统也会报轴温高故障，使得风机限功率运行以降低齿轮箱负载。因此研究高速轴轴承故障报警原因并及时排查，处理故障具有重要意义。
        1 风电齿轮箱结构组成及高速轴
        常见的齿轮箱结构有一级行星两级平行和两级行星一级平行结构[1]。一级行星两级平行结构常见于2MW及2MW以下机型，平行轴结构简单，容易加工制造；两级行星一级平行结构常在2.5MW及以上机型采用，承载能力更强，尺寸小，重量轻，速比可调范围大但制造及原材料成本会增加。
        高速轴是齿轮箱的输出端与发电机相连，尺寸小转速高，高速轴轴承易发生高温故障。本文以典型2MW齿轮箱结构及高速轴作为故障研究对象进行论述。
        2风电齿轮箱高速轴轴承高温故障表现
        高速轴高温故障表现形式一般为轴承温度传感器报警[2]。轴承连续运转时，轴承外圈最大许用温度不超过95℃[3]。在风场运行过程中，考虑到润滑油及油封的使用寿命，一般把最高油温设置为70℃，轴承报警温度设为80℃，故障温度设为85℃[4]。另一方面压力传感器报警也可能是高速轴轴承高温故障的表现，如润滑油管堵塞导致的轴承无法得到冷却润滑从而发生高温故障。此外齿轮箱发生振动、异响也可能是高速轴轴承高温表现[5]。

                                        图2.1 机组数据统计
        3 风电齿轮箱高速轴高温故障主要原因及解决措施
        3.1、高速轴喷油板喷口堵塞
        （1）失效原因
        某机型在正常运转过程中发现即使不再大风情况下，齿轮箱高速轴两侧温差相差较大（叶片侧轴承比电机侧高30℃）。登机通过视孔盖观察叶片侧轴承喷油环喷油情况发现两个喷油口一个堵塞无法喷油。通过拔高速轴拆卸喷油板发现堵塞物为O型圈。后期通过对润滑系统进行排查发现堵塞O型圈来自于双精滤筒单向阀处。当精滤芯堵塞后油液开始通过粗滤芯，在油液不断冲击作用下容易发生脱落切断，进而直接坠入到滤芯内部，通过油路分配器落入至各喷油口处，如图3.1所示。

（a）堵塞的O型圈（b）滤芯单向阀位置   （c）滤芯单向阀O型圈残块
                        图3.1高速轴喷油板堵塞
        （2）解决措施
        优化润滑系统密封设计，将原有的端面密封更换为线密封，从而取消O型圈密封结构，其结构示意图如图3.2所示。同时，在温控阀进油口处加装滤网以防止滤芯其他部位的O型圈切断掉入滤芯内部，其实物如图3.3所示。

                 图3.2锥阀示意图    图3.3滤网
                       3.2润滑油液温度高
        （1）失效原因
        根据润滑系统工作原理可知，当油温高于45℃时，热油开始通过温控阀流进散热器进行冷却，然后经过油路分配器流入齿轮箱各润滑点处。若冷却系统无法正常工作，则会导致热油无法得到充分的冷却便通过油路分配器流入到齿轮箱各润滑点处。由于热油自身温度较高，无法及时吸收转移轴承摩擦产生的热量，最终导致轴承报高温故障。
        （2）解决措施
        由于油温高是一种较为常见的齿轮箱故障问题，因此，先通过后台数据拆开齿轮箱各温度监控点处的温度是否正常，其温升趋势是否合理。利用这些数据来快速的锁定故障区域，并对该区域出现故障的可能性进行分析，并根据具体情况制定相应的故障处理方案。
        3.3、润滑油流量偏低
        当高速轴喷油板处未堵塞，油温正常的情况下，高速轴报油温高故障的另一个原因可能为润滑油流量偏低，润滑油流量不足易导致润滑冷却效果不明显。导致润滑油流量不足的原因有以下几点。
        （1）失效原因
        （a）油泵自身功率不足，在满功率运行时油泵供油量达不到润滑所需流量。该类故障可通过在现场做流量试验来确定；
        （b）电机工作异常，如联轴器损坏，电机损坏等造成油泵无法正常工作。通常电机或联轴器损坏会产生齿轮箱振动异常，可通过相应的监控数据来判断；
        （c）电机控制策略有问题，在油温偏高时电机依旧工作在低速模式中，而未切换到高速运转模式中，该故障客户可自行检查其控制策略；
        （d）溢流阀异常开启，导致油泵虽然能够正常工作，但是油液未经润滑系统就直接流会油池中，使得润滑管路中无润滑油液。该类故障可通过查看齿轮箱中压力传感器监控数据以及结合现场实际情况来判断；
        （e）齿轮箱油液不足，导致润滑系统循环油供应不充分。该故障通常可以查看液位报警器以及油标来判断油位是否正常；
        （f）油管漏油会导致润滑系统中的油液流量损失，轴承润滑不充分。该故障可通过油管表面是否有漏油情况来进行判别。
        （2）解决措施
        针对上述各种导致润滑油流量不足的可能原因，其相应的解决措施如下:
        （a）若电机油泵供油不足，无法满足润滑冷却流量所需，则需要更换大流量的油泵电机以满足齿轮箱润滑散热所需；
        （b）电机或联轴器等损坏则需要对其进更换，详细更换步骤如附件2所示；
        （c）参考齿轮箱使用说明书，更改电机控制策略；
        （d）更换损坏的溢流阀；
        （e）及时添加润滑油，参考齿轮箱游标添加润滑油至油位标牌min~max之间；
        （f）对漏油油管进行更换、打胶密封处理。
        3.4、轴承问题
        轴承跑外圈或者轴承发生损伤亦会造成轴承在高速运转时产生轴温高故障。
        3.4.1 轴承跑外圈
        （1）失效原因
        通常情况下轴承外圈与轴承孔之间采用过渡配合，并安装销固定轴承外圈。造成轴承跑外圈的原因较多，如轴承孔加工精度低，安装精度不高，轴承润滑不良，高速轴与电机对中误差大等情况都会造成轴承跑外圈。轴承跑外圈会造成轴承外圈与轴承孔之间产生摩擦，从而造成其温度升高。
        （2）解决措施
        在轴承外圈与孔之间塞入塞尺，若最小塞尺能够塞入则说明轴承发生了跑外圈，需要拔轴取出轴承外圈，并涂抹厌氧胶以防轴承跑外圈。
        3.4.2 轴承损坏
        （1）失效原因
        当轴承发生偏载、润滑不良或有异物坠入到轴承内部时会造成轴承损伤，轴承损坏不仅会产生较大振动，而且还会因磨损加大产生更多的热量使得轴承温度升高。
        （2）解决措施
        对齿轮箱进行内窥镜检查，如发生轴承损坏则根据其严重程度来判断是非需要进行更换处理。
        3.5 油品不合格
        （1）失效原因
        润滑油应定期进行油品检查，若油品清洁度变差、抗泡性能下降等情况都会导致油膜无法正常建立，最终轴承与齿轮得不到良好的润滑而产生高温故障。
        （2）解决措施
        根据油品检测结果定期更换润滑油液。
        3.6、测控元件故障
        （1）失效原因
        在运维过程中人为攀爬齿轮箱时会无意识的触碰或踩到传感器，或运维不当都会造成传感器不同程度的损伤，易导致控制系统虚报或误报故障信号。如图3.4所示，当温度传感器发生弯折、虚接以及损坏时都会产生误报警动作。

        （a）弯折断裂（b）虚接（c）接线锈蚀
                    图3.4温度传感器故障
        通过中控台对高温报警先进行数据分析，可初步判断出故障源。如图3.5所示，风机未满发时（668KW），高速轴两侧
        轴承温度达到90℃，而满发时（2100KW）其温度仅为70℃左右，且其他传感元件工作正常，则可认为该报警时有温度传感器异常而导致。

                                                          图3.5检测元件故障
        （2）解决措施
        对损坏的PT100应及时对其进行更换，PT100接线时应避免虚接情况发生，同时做好传感器的防腐防锈工作。
        3.7、控制逻辑设置不合理
        （1）失效原因
        根据齿轮箱控制策略可知，当油池温度高于75℃时或者高速轴轴承温度高于90℃时齿轮箱会发出高温报警信号，而当油池温度高于80℃或者高速轴轴承温度超过95℃时风机被迫停机。然而，部分整机商或根据自身经验或请国外服务公司进行二次改进过程中出现控制冗余现象，将油池报警温度设置为70℃，轴承高温报警温度设置为80℃，而将停机温度分别设置为75℃和85℃。控制逻辑设计的冗余量提升导致风机刚一满发就发出高温报警，进而导致风机限功率运行。
        （2）解决措施
        应根据齿轮箱使用说明书中的温度控制策略进行参数设计，若需更改应征求双方技术同意。
        4总结及预防措施
        我国风力机组目前大多数采用双馈型发电机组，即采用齿轮箱作为中间增速传扭部件，风电齿轮箱高速轴又是齿轮箱重要组成部分，为保证风机机组的正常运行，需要对齿轮箱高速轴进行重点监控，在其发生相应故障时，及时排除故障源并针对原因进行相应的处理。建议风机齿轮箱按照以下几个方面，对齿轮箱进行监控，以防止齿轮箱高速轴发生高温故障。
        （1）保持润滑油清洁度，使其不堵塞润滑油管；
        （2）监控齿轮箱各温度监测点数据，对于异常报警及时处理；
        （3）定期检查润滑系统各部件及外部测控件是否正常，并及时补油使油位处于正常状态；
        （4）定期对齿轮箱进行内窥镜检查，保证轴承损坏可以及时发现；
        （5）定期进行油品分析，若油品变坏及时更换润滑油；
        （6）设置合理的报警控制逻辑。
        通过本文内容，现场可快速解决齿轮箱高速高温故障，为风力发电齿轮箱的安全稳定运行提供保障。同时，为预防
        参考文献
        [1]任淮辉- 2014中国电机工程学会清洁高效发电技术协作网2014年会.
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        [3]全国风力机械标准化技术委员会.风力发电机组齿轮箱设计要求:GB/T 19073-2018[S].北京:中国标准出版社,2018:2.
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        [5]招妙妍.风电齿轮箱高速轴故障处理与分析[J].设备管理与维修,2011(09):16-17.