风电机组传动系统维护与故障诊断研究

摘 要：随着人们的环保意识增强，对于能源的环保要求越来越高，风力发电作为一种新型的环保能源，其逐渐替代传统能源成为今后能源供应主力。对风电机组传动系统维护和故障诊断也会成为工作常态，文章针对相关问题进行讨论，提出一些建议以供参考。

关键词：风电机组；传动系统；维护；故障诊断

风力发电的原理为将风能转化为动能，其主要通过主轴-齿箱传动装置。传统系统故障直接影响发电效率及电能质量，如何对其进行治疗维护就显得至关重要[1]。文章就相关问题进行讨论，为风电机组传动故障诊断和维护提供参考。

1 风电机组传统系统故障诊断技术

1.1 振动故障检测诊断法

振动故障的检测是当前最为基础的风电机组故障诊断方法，其可以进行独立诊断，诊断具有较高的准确性。振动故障检测方法具有其他风电机组故障诊断方法不可替代的作用。从经济效益来分析，振动监测需要安装振动传感器，但是由于风力电组的工作环境相当恶劣，传感器比较容易受到损坏，因此在风电机组故障监测中应尽量少使用传感器，以此来降低风电机组故障监测成本。

1.2 电信号故障监测诊断

电信号监测故障则可以避免传感器损坏、安装困难等问题。电信号故障检测方法可以从电流和电压进行信号监测，因此其经济成本几乎可以忽略不计。但是目前的电信号故障监测方法对于故障的诊断面很小，技术还存在着欠缺，必须展开深入研究之后才可用于风电机组传动系统维护和故障监测。

1.3 性能故障监测诊断法

所谓的性能故障检测类似于电信号检测，同样可以节约大量的检测成本，但是其技术也存在着一些不成熟。性能故障检测不需要增加额外的传感器，而可以利用风电机组系统数据实现检测，但是其诊断的范围有限，对于操作人员的技术经验和技术水平要求比较高[2]。

2 风电机组传统系统故障类型及诊断

2.1 齿轮箱故障

2.1.1 齿轮故障类型。齿轮箱故障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[3]。

2.1.2 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。

2.2 滚动轴承故障

2.2.1 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。

2.2.2 滚动轴承故障演化。滚动轴承典型故障的演化过程如图1所，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。

3 风电机组传动系统维护策略

3.1 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。

3.2 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、油量以及周围温度不同而不同。

4 结束语

风力发电逐步成熟，将为全球经济发展做出重要贡献。文章针对风电机组传动系统的维护和故障诊断方法进行论述，通过风电机组传动故障诊断技术、诊断类型和方法以及风电机组的养护策略进行研究，希望能够提升风电机组故障处理能力，为提升风电发电系统稳定运行提供保障。

参考文献

[1]张照煌，丁显，刘曼，等.基于小波变换的风电机组传动系统故障诊断与分析[J].应用基础与工程科学学报，2011，19（S1）：210-218.

[2]马婧华，汤宝平，韩延.风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统设计[J].重庆大学学报，2015，38（01）：37-44.

[3]申戬林，王灵梅，郭东杰，等.基于改进小波包与包络谱的风电机组传动系统的故障诊断方法研究[J].太阳能学报，2014，35（09）：1771-1777.