风力发电机组齿轮箱故障分析

北京中能联创－夏晖Gamesa机组齿轮箱故障原因分析2020年3月16日北京中能联创－夏晖2Gamesa机组简介G52/58机组为典型的“丹麦设计”风电机组水平轴三叶片上风向主动偏航变桨距功率调节双馈式变速恒频控制北京中能联创－夏晖3Gamesa机组简介机组采用常见的“一字型”布置形式,为保证变桨系统的安装位置，齿轮箱输出轴在机组的左侧，与发电机相连，主轴采用双轴承设计。北京中能联创－夏晖4故障现象现场巡检中，在塔架下部听到机舱发出很大的异常声音。停机进入机舱检查发现：转速到350RPM左右时，齿轮箱壳体与输入轴相对前、后轴向窜动，蹿动量为3-5mm左右；在行星轮外齿圈处有很大的“咕咚、咕咚”撞击声音，声音均匀而且连续，异音和撞击同步出现。北京中能联创－夏晖5故障初步分析根据齿轮箱声音大小和撞击位置手感检查，初步判定齿轮箱行星轮位置有故障；齿轮箱观察孔无法观察到行星齿部分；受齿轮箱结构限制，内窥镜也无法观察；齿轮已出现故障，齿轮油监测无法判断故障部位；采用振动监测可初步判断故障部位；北京中能联创－夏晖6振动监测分析测试仪器：便携式离线振动监测设备测试状态：机组并网运行，发电机转速：860－1200rpm左右；发电功率：40－120kW左右；记录数据：传动系统的多点的振动频率、幅值与加速度；发电机实时转速；机组实时输出功率；实时风速；北京中能联创－夏晖7振动监测分析记录机组实时输出功率与实时风速的原因：采用便携式振动监测仪，仅两个记录通道，无法同时测量多点的数据，必须保证各点测量时机组转速较接近；双馈机组在8－10m/s区段转速变化较快，为保证测量的准确性，记录功率和风速可以在对转速的变化值进行校验；北京中能联创－夏晖8振动监测分析测点布置如图，共11点；北京中能联创－夏晖9振动监测分析各采集点理论上均应位于轴承座6点钟位置（承载区）上，可是个别位置由于传感器安放不方便只能做到尽可能接近承载区。采集并分析的振动参数为以下两种：速度频谱：检测由于如松动、不平衡和不对中等低频振动故障；监测和确认轴承、齿轮缺陷阶段。加速度包络线谱：齿轮啮合，轴承早期缺陷，润滑不良，重复性冲击等问题。北京中能联创－夏晖10振动监测分析北京中能联创－夏晖11振动监测分析从数据结果推算太阳轮轴转速=45r/min中间轴转速=330r/min输出轴转速=930r/min结合监测记录，输出轴转速为984r/min，由于风力机组处于低负载运行状态，转速变化快，认为两个结果一致；初步诊断为行星轮轴承出现问题，该故障处于严重阶段。北京中能联创－夏晖12振动监测分析北京中能联创－夏晖13振动监测分析从上图中可以看到齿轮箱故障已经影响到机舱大幅度轴向振动。齿轮箱振动总值＝29.11mm/s，北京中能联创－夏晖14故障原因初步分析主轴箱轴承故障当主轴箱内双列滚子轴承工作游隙增大时，轴承外圈被轴承座和端盖所固定无法移动，主轴会带动轴承内圈轴向窜动，这种缺陷在转动设备中运行中很常见。由于主轴和齿轮箱低速输入轴被胀紧套连接为一个相对刚性整体，主轴前后窜动会通过胀紧套将力矩传递给齿轮箱行星轮，行星轮轴向蹿动撞击齿圈和端盖发出异音，同时行星轮前后轴承内、外圈位移增大而S值超标损坏。北京中能联创－夏晖15故障原因初步分析紧急刹车造成行星轮齿轮损坏行星轮和外齿圈曾经在其它的多种机型上，发生过因为紧急刹车造成行星轮断齿损坏，最后外齿圈断齿与行星轮抱死的恶性事故。分析其原因一方面是制造工艺不良、材质选用不当、装配工艺差等制造装配问题；另一方面风力机紧急刹车时会使行星轮承受较大的扭力矩，频繁紧急刹车会在齿轮受力疲劳损伤后，发生行星轮断齿、轮齿剥光、外齿圈断齿等故障，进而损坏行星轮轴承。北京中能联创－夏晖16故障原因初步分析变桨液压缸故障变桨液压缸利用螺栓固定在齿轮箱尾部与其成为一个整体，变桨杆一端在液压缸内与活塞连接，一端穿过齿轮箱二级套管与轮毂内三脚架超级螺母连接固定。液压系统油质脏、比例阀故障、缸体活塞磨损泄油，都会使变桨液压缸供油压力发生急剧变化，压力作用于活塞造成液压缸体带动齿轮箱一起振动。箱体和轴承座为整体铸造件，箱体前后窜动必然会使轴承外圈和轴承座之间位移磨损，进而损坏轴承及轴承座。北京中能联创－夏晖17修复方案根据故障分析结果，制定了修复方案：对可能的故障点进行进一步检查；更换备用齿轮箱，尽快恢复机组运行；对损坏齿轮箱进行解体检查；落实轴承损坏的具体原因北京中能联创－夏晖18检查结果检查点：主轴箱体检查结果：塞尺检查主轴箱安装侧隙不大于安装要求0.50mm，外观和力矩检查地脚螺栓无松动，安装标记线清晰完整；外观和力矩检查主轴与轮毂连接螺栓无松动，轮毂连接法兰无明显裂纹和缺损；外观和力矩检查主轴箱端盖螺栓无松动，螺栓弹簧垫圈完好无断裂,主轴箱轴承端盖无裂纹和漏油。主轴箱壳体无裂纹和其它缺陷,塞尺检查主轴和齿轮箱输入轴间隙不大于1mm；由于主轴箱无法解体检查轴承，主轴的飘偏度和同心度无法检查，打开轴承端盖检查轴承侧面，确认油脂颜色正常无焦糊现象，滚动体无伤痕，轴承座完好无磨损痕迹，轴承内圈挡圈环无变形损坏、固定牢固。北京中能联创－夏晖19检查结果检查点：胀紧套检查结果：锥形胀紧套（内套）与轴接触的部位有较为明显的滑动痕迹，但没有毛刺、拉伤、凸起、沟槽等缺陷，不影响继续使用；螺栓孔完整无伤痕，螺纹完好无拉伤、断裂和螺纹滑扣等缺陷；力矩检查螺栓紧力符合标准；北京中能联创－夏晖20检查结果北京中能联创－夏晖21检查结果检查点：弹性支撑检查结果：力矩检查齿轮箱弹性支撑紧固螺栓无松动，外观检查支撑无弯曲变形、连接螺栓完好；检查扭力臂关节轴承转动灵活，内表面和球面光滑完整未见磨损、划痕、裂纹、锈蚀等缺陷，关节轴承密封件完整无损坏，弹性橡胶块无缺损，锚销无伤痕。北京中能联创－夏晖22检查结果北京中能联创－夏晖23检查结果检查点：变桨机构检查结果：液压缸壳体无裂纹和损伤，传感器安装牢固无松动，变桨杆无弯曲、划痕、磨损、凹坑、锈蚀、脱皮等缺陷；白轴光滑无损伤，白轴后部尼龙轴承完好；黑轴螺栓固定端焊口前套断裂缺损，经分析是滑动轴承间隙增大后白轴摆动挤裂，不影响继续使用；连接螺栓无松动,连接螺纹完好、紧密牢固；三脚架上螺栓孔无磨损变形，防转杆光滑无弯曲变形，变桨轴承转动无卡涩现象，叶片变桨拐臂螺栓无松动和断裂；北京中能联创－夏晖24检查结果北京中能联创－夏晖25检查结果检查点：齿轮箱检查结果：箱体内低速轴前轴承座内径磨损0.30mm；行星轮前、后两盘轴承S值超标增大2.3mm；低速输入轴轴承磨损；润滑油颗粒度超标；北京中能联创－夏晖26检查结果检查结果：低速轴前轴承座内径磨损北京中能联创－夏晖27检查结果检查结果：轴承S值超标北京中能联创－夏晖28检查结果检查结果：轴承S值超标北京中能联创－夏晖29检查结果检查结果：低速输入轴轴承磨损北京中能联创－夏晖30检查结果检查结果分析：从齿轮箱解体检查情况上分析，由于轴承游隙增大，导致运行中齿轮蹿动，相互撞击，发出异常声音；齿轮蹿动，轴承受力超出设计值，外圈与轴承座发生相对位移，由于箱体材质为铸铁，发生磨损；磨损的颗粒进入轴承，导致轴承磨损；北京中能联创－夏晖31检查结果齿轮箱发生损坏的原因：齿轮箱自身缺陷；外部原因导致齿轮箱损坏；具体原因待落实；北京中能联创－夏晖32机组恢复安装备用齿轮箱，机组恢复运行；在机组恢复后，进行整机的测试；发现当转速达到800RPM以上时，齿轮箱箱体轴向前后窜动频率不断增大，机舱振动明显，声音很大；机组存在其他缺陷；北京中能联创－夏晖33其他检查控制系统检查时发现：在10m/s风速下PITCHANDBRAKE测试中设定变桨值为30°和转速达到570rpm时风力机组发出Gene-RotorDiscrepancy（转速不匹配）故障两次；CCUX111（Encoder）端子排01端子接线松动；紧固端子排接线后在重复RPMTEST时通过测试，机组未报故障；启动机组，齿轮箱轴向蹿动消失，运行平稳，未见振动和异音，机组并网运行。北京中能联创－夏晖34故障分析依据齿轮箱解体后部件损坏和新齿轮箱安装缺陷处理的情况，分析如下：主轴箱轴承故障引起齿轮箱轴承损坏的分析不成立；紧急刹车造成行星轮齿轮和轴承的分析不成立；控制系统导致变桨机构故障是造成该机组齿轮箱振动和轴承损坏的原因；北京中能联创－夏晖35故障分析主轴箱轴承故障引起齿轮箱轴承损坏的分析不成立第一种分析认为主轴箱轴承工作游隙增大，是造成齿轮箱振动和轴承损坏的原因。通过对主轴箱外部检查，确认主轴箱安装间隙无变化，地脚螺栓紧力符合要求，安装标记清晰完整。主轴与轮毂连接螺栓无松动且紧力符合要求，轮毂连接法兰未发现裂纹和缺损等缺陷。外观和力矩检查主轴箱前后轴承端盖螺栓无松动，轴承端盖无裂纹和漏油现象，主轴箱壳体无裂纹和其它缺陷。新齿轮箱安装后检查主轴窜动量小于0.10mm，现场实测主轴箱振动0.03mm。这两项测量数据说明轴及轴承运转平稳，轴承工作游隙正常，主轴未发生轴向窜动和跳动。基于主轴窜动而引起齿轮箱振动和轴承损坏的分析不成立。北京中能联创－夏晖36故障分析紧急刹车造成行星轮齿轮和轴承的分析不成立现场检查确认行星轮齿轮和外齿圈完好无异常；解体检查行星轮齿轮与外齿圈啮合良好无卡涩；运行中的紧急刹车并没有引起行星轮和外齿圈断齿损坏。行星轮和外齿圈盘动灵活、完好无缺陷，说明紧急刹车造成行星轮齿轮和轴承损坏的分析不成立北京中能联创－夏晖37故障分析控制系统导致变桨机构故障是造成该风力机组齿轮箱振动和轴承损坏的原因由于控制系统的问题，导致变桨液压缸频繁动作造成齿轮箱振动和轴承损坏；备用齿轮箱安装后仍然有很大的振动，解体检查变桨液压缸及活塞、连接螺栓、变桨杆、变桨轴承、三脚架和防转杆等均未发现异常；将液压站比例阀和变桨液压缸进行清理检查，更换了新液压油，未见任何异常；CCUX111（Encoder）端子排01端子接线松动，紧固后振动消失，设备运转平稳；北京中能联创－夏晖38故障分析Gamesa机组是变桨距、双馈机组，其控制结构如图所示：北京中能联创－夏晖39故障分析变桨控制：北京中能联创－夏晖40故障分析速度控制：北京中能联创－夏晖41故障分析编码器：OG8DN2048CI输出信号附加标志脉冲和反向信号；每周输出2048个脉冲；北京中能联创－夏晖42故障分析编码器测量发电机转速，信号送到CCUX111端子排01端子，接线松动导致PLC接收的发电机转子转速信号不稳定，使PLC采集到的叶轮转速和发电机转速有偏差；PLC为了使转速达到预先设定值，就会控制变桨驱动装置不断修正桨角变化，这样就引起变桨液压缸活塞前后油压反复变化，促使活塞带动变桨杆在缸体内快速往复运动；北京中能联创－夏晖43故障分析变桨杆前端与轮毂内的三脚架相连，当变桨杆快速运动时，以三脚架为固定支点推动液压缸向前、后运动；液压缸也相应推动变桨杆向前、后运动，液压缸的前后运动趋向带动齿轮箱外壳前后轴向窜动，引起整个机舱振动并伴随巨大的异音。北京中能联创－夏晖44故障分析了解到该机组此次修前液压站比例阀更换过4个，变桨液压缸也因为卡涩清洗过一次。说明频繁的变桨使比例阀长期高负荷工作，损坏了内部阀芯，更进一步说明齿轮箱故障不是短期形成的，而是较长一段时期间歇振动累积的结果。北京中能联创－夏晖45故障分析端子接线松动分析：CCUX111（Encoder）端子排01端子接线在原齿轮箱振动发生时未检查到，新齿轮箱振动发现松动紧固后故障消除。引起接线松动会有两方面原因，一是该接线端子的塑料材质，会因为冬季运行热胀冷缩的原因发生松动脱落的现象，这种故障在东北等地的风场出现过，但该风场多台同型号风力机组均未发现由于热胀冷缩导致端子线松动的现象，所以该风力机热胀冷缩导致接线松动的可能性极