风电增速箱的常见故障及早期诊断维护

风电增速箱的常见故障及早期诊断维护概述通过对不同增速箱现场异常情况如温升过高、润滑油清洁度降低、传动噪音、振动超标、润滑系统压力异常等的检测结果的分析，论述判断齿轮箱由于长期处于某些恶劣条件下，如交变载荷或润滑油失效，引起的齿轮和轴承损坏的检测方法。分析了齿轮箱出现故障的原因以及应采取的措施和常见维护方法。第2页,共41页，2024年2月25日，星期天风电机组齿轮箱的结构及运行特征1)过去小容量齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来减少造价，重量体积过大，500kW以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混合结构，结构复杂，设计上可能存在缺陷。2)由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧洲相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。3)在我国北方地区，冬季气温很低，风场极端(短时)最低气温达到-40℃以下，长时间在低温运行，将损坏齿轮箱。因此必须对齿轮箱加温。另外冬季的极端温度和夏季高温温差大，密封在这种巨大温差变化中很容易老化损坏，春季的沙尘天气对增速箱油封寿命也有很大的影响。第3页,共41页，2024年2月25日，星期天增速箱损坏形式及原因分析

损坏部件故障比例（%）损坏表现形式齿轮60%点蚀、磨损、胶合、疲劳裂纹、断齿、其他轴承19%烧伤、保持架变形、滚珠脱落轴10%磨损，断裂箱体7%变形、裂开紧固件3%断裂油封1%老化表1增速箱各类零件损坏百分比第4页,共41页，2024年2月25日，星期天1、齿轮损坏形式及原因轴磨损断齿磨损+胶合+断齿图1典型风电增速箱高速轴破坏图

第5页,共41页，2024年2月25日，星期天表2增速箱齿轮轮齿损伤原因齿轮损坏形式第6页,共41页，2024年2月25日，星期天(1)齿轮自身弯曲强度、接触强度或疲劳强度不够，制作精度低，热处理加工有缺陷，可导致齿轮点蚀、磨损、胶合、疲劳裂纹和断裂。(2)急速刹车时产生的刹车力矩、冲击载荷，造成齿轮断裂。(3)外界杂物、齿轮或轴承表层的剥落异物进入啮合区，导致齿轮的磨损甚至断裂。齿轮损坏原因(4)润滑系统工作异常，不能使齿轮正常润滑，导致齿轮胶合。(5)齿轮和轴承在运转过程中会产生大量的热，如果热量不能及时散发掉，将会导致齿轮的胶合。第7页,共41页，2024年2月25日，星期天2、轴承失效形式及原因图2高速轴轴承滚子脱落第8页,共41页，2024年2月25日，星期天

滚动轴承的失效形式主要有疲劳剥落，过量的永久变形和磨损。疲劳剥落是正常失效形式，在安装、润滑、维护都正常的情况下，轴承由于套圈与滚动体的接触表面经受交变载荷的作用而产生疲劳剥落。一般情况下，首先在表面出现细小裂纹，再继续运转过程中,裂纹逐步增大，材料剥落，产生麻点，最后造成大面积的剥落，它决定了轴承的疲劳寿命；过量永久变形使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪声；磨损使轴承游隙、噪声、振动增大，降低轴承的运转精度，当然如果在安装上存在精度偏差，运行上不能充分润滑，热量不能完全带走，或是有杂物进入轴承都会使轴承损坏失效。第9页,共41页，2024年2月25日，星期天3、轴的损坏形式及原因轴的损坏通常有断轴和磨损，一般断裂是由于过载所致，磨损是由于轴与轴承发生相对运动，因为轴承内圈与轴是通过热胀冷缩的原理装上去的，内圈随轴一起旋转，外圈在箱体上固定，通过滚子支承并旋转，但由于轴承失效，滚子将内外圈卡住，轴承内圈和轴或是外圈和箱体发生相对运动，产生摩擦，在继续运转的过程中就可能出现将轴承安装部位包括箱体内孔和轴颈磨损或破坏现象。第10页,共41页，2024年2月25日，星期天4、箱体的破坏形式及原因图3箱体立筋底部裂纹箱体的裂纹一方面可能由于自身加工制造的缺陷，另一方面是由于在齿轮传动过程中，突然发生过载或卡死，导致这种尖峰载荷传递到箱体上，出现裂纹。第11页,共41页，2024年2月25日，星期天5、紧固件的损坏形式及原因图4螺栓紧固件断裂由于轴承经过长时间的运转，磨损严重，保证不了轴与轴之间的平行度，使得叶片在随风旋转地过程中不能始终围绕轴的中心位置旋转，叶片受力不平衡，导致了螺栓断裂。

第12页,共41页，2024年2月25日，星期天表3增速箱故障及其可能的原因第13页,共41页，2024年2月25日，星期天增速箱早期诊断方法及工具1、SKF公司的两种状态监测系统

SKF公司CMVA6.0状态监测系统

机组情况描述:机型NTK300/31(齿轮箱类型:JA/KECS520)额定功率：300kW

监测对象：1号齿轮箱为在齿轮箱厂才修过且运行不满1年；2号为有问题齿轮箱取样/分析程序：1)所有轴承端盖的水平和垂直方向各取1个点。2)风电机组并网，依次在各取样点提取振幅和频率数据。3)在计算机中进行频谱分析，得知轴承、齿轮啮合状况。若发现问题，根据频谱特征，结合齿轮箱的运行参数，推断引起问题的因素。4)建立状态分析档案，跟踪质量检查。第14页,共41页，2024年2月25日，星期天图5二级增速轴（Ⅲ轴）振动加速度包络线频谱分析：轴承外环明显损坏图6高速轴振动加速度包络线频谱分析：无明显损坏第15页,共41页，2024年2月25日，星期天监测结果：1号齿轮箱：齿轮间啮合及轴承运行工况良好。2号齿轮箱：1)输入轴：出现齿轮箱的啮合频率及其高倍的谐波分量，说明轴承状态良好，齿轮运行存在缺陷。2)一级增速轴（Ⅱ轴）：输入端：出现了缺陷频率和谐波分量，说明轴承状态及齿轮运行不良。输出端：出现大量的缺陷频率和谐波分量并加杂大量边频，说明轴承己明显损坏，齿轮的啮合不良。3)二级增速轴（Ⅲ轴）：出现不少轴承缺陷特征，说明轴承有问题。4)高速轴：输出端的振动频谱说明无明显的轴承损坏特征。以上监测结果与实际检查完全吻合。通过对齿轮箱的状态监测，我们准确的找到了故障的位置和故障点，缩短了齿轮箱修理而造成的风电机组停机时间。第16页,共41页，2024年2月25日，星期天2、SKF公司Marlin状态监测系统Marlin系统由三部分组成：状态探测器（MCD）、数据管理器（MDM）及PRISM4Surveyor应用软件。监测过程：

Marlin可通过状态探测器（MCD）读出机器状态，即两个振动测量值（速度和包络加速度）和一个温度测量值。探测器自动把这些读数与预设参数作比较，当发现超出正常值限时立即向操作人员发出警报。从探测器上发出的读数可立即显示和存储在数据管理器（MDM）上，数据管理器主要作用是输入、存储和对机器状态进行检查。PRISM4Surveyor软件可简化数据的收集、存储和分析，绘制出历史趋势曲线。机组情况描述：NOEDEXN43功率:600kW检测对象：风电机组齿轮箱高速端的速度、加速度、温度进行检测监测结果：数据异常，经开箱后发现齿轮油已严重污染，齿轮齿面已有磨损。

第17页,共41页，2024年2月25日，星期天Marlin系统的优势①状态探测器（MCD）既可单独使用，又可与数据管理器（MDM）联合使用。②由于Marlin系统的测量数据既包括振动速度，又包括包络加速度，因此我们既可发现低频到中频的故障如不平衡、不对中、转子弯曲、松动等，又可检测到轴承及齿轮的缺陷。此外，对温度的测量，可以帮助分析轴承温度，对故障的判断起到一定的帮助作用。Marlin系统的不足Marlin系统作为SKF公司的一种较为简易的状态监测产品，其分析和诊断功能较为薄弱现场测量点的选择将齿轮箱前后轴承、发电机前后轴承分别作为测量点。。第18页,共41页，2024年2月25日，星期天原因：1、当机组的主要轴承失效时，机组就得停机。监测轴承的振动可以较早发现轴承故障2、由于轴承承载着机器的负荷，许多典型的机械问题如不平衡、不对中、松动等都会将振动信号传给轴承。第19页,共41页，2024年2月25日，星期天2、油品分析法日常的油品分析可测定润滑油的运动粘度、水分、闪点、凝点和倾点、硫含量、密度、酸值、碱值、色度、残炭、灰分、热值、总沉淀物、机械杂质、不溶物、水分离性、泡沫特性、针入度、滴点、钢网分油量等，判断齿轮箱润滑油是否失效确定更换时间日常油品分析

红外线光谱分析

随着机械设备工作时间的延长，润滑油发生氧化、硝化、硫化、水分的蒸发、添加剂的分解化合、密度的改变及金属碎屑的增加等物理化学变化，这些变化在近红外光谱吸收区都会有相应的反应，因此可以用近红外光谱分析技术建立润滑油吸光度和性能之间的定性甚至定量的关系。第20页,共41页，2024年2月25日，星期天3、探测润滑油中金属含量法

判断金属是来自齿轮还是轴承，因为二者的金属元素含量不同。例如：测定金属中含铬量

含铬量高，杂质源自轴承，说明轴承磨损严重，继续使用可能损坏，改变两根轴的中心平行度，应该停机换轴承，否则可能会导致齿轮破坏

含铬量低，杂质来自齿轮磨损，轴承能够正常工作，观察一下齿轮，没有明显的损坏痕迹，可以继续使用。下面介绍两种仪器

美国Bruker公司手持式金属元素分析仪

牛津手持式X荧光合金分析仪第21页,共41页，2024年2月25日，星期天4、噪声监测法风力发电增速箱的噪声等级在85db（A），噪声主要来自各传动件。精密脉冲声级器是一种便携式声学测量仪器，可用来测量和分析环境噪声、机器、车辆、电机等噪声，特别是它的脉冲特性可以精确地测量冲击声和短持续时间的噪声。5、手动盘车法当运转时支承有沉重感，不灵活，摩擦力大，一般是由于滚道损坏、轴承过紧或润滑不良造成的损坏，其表现就是温度升高。第22页,共41页，2024年2月25日，星期天6、振动监测法对风电传动链进行振动在线监测，可以起到预知维修，诊断故障的作用。振动情况能反应齿轮或轴承微小的异常或损坏。PCH1026低频结构振动监测仪KXZK-振动监测仪7、温升监测法风电增速箱自身带有温度监测装置，需定期观察温升，温升过高应立即停机检查。第23页,共41页，2024年2月25日，星期天无论是国产化制造齿轮箱还是齿轮箱的用户，在今后运行维护中应注意以下几点：1)必须深入了解齿轮箱输入的载荷谱，以及齿轮箱的振动频谱，通过测试分析找出故障原因，并在设计制造中进行改进，如设计参数、加工工艺改变。2)对于不同用户应采取不同措施，如阵风大，交变应力较大的地方，应对齿轮箱及轴承进行加强设计。3)低温时，应考虑妥善的加热方法，以及良好的散热系统。4)应充分监视振动频谱，对齿轮箱故障进行预测，如果齿轮箱轴承或齿轮出现故障特征频率时，及时分析处理，并不断进行测试最终建立数据库。5)应不断检查润滑部位是否充分得到润滑，以及润滑剂是否有杂质，是否已经失效。6)必须对重点部位的温度进行监视，对超温进行保护并及时发现问题。第24页,共41页，2024年2月25日，星期天五、风电增速箱的检查、维护及常见故障处理以（1500kw齿轮箱为例说明）1、增速箱在运行前的检查（1）安装完成后，所有多余的材料、工具、安装用的工装设备都应拿走。（2）连接螺栓是否拧紧。（3）齿轮箱壳体的连接螺栓是否拧紧。（4）手动盘车有无阻滞现象。（5）油量是否达到游标刻度，从增速箱的进油口加入规定清洁的润滑油，注

油时用不少于80目的滤网过滤，以防止杂物进入箱体。

2、试运转注意以下事项：（1）检查齿轮箱润滑系统供油是否正常，吸油是否畅通，齿轮轴承是否完全润滑。（2）在运转过程中，每30分钟纪录油位和轴承部位温度。（3）注意齿轮是否有异常声音，检查齿轮箱各结合面及可能漏油点是否漏油，及时采取措施。（4）总运行10小时后，检查机座螺栓和各连接部位螺栓，必要时予以紧固，检查所有可能的漏油点，检查油位，必要时补充润滑油。第25页,共41页，2024年2月25日，星期天3、润滑系统的检查（1）润滑系统的控制要求图7

齿轮箱润滑系统工作原理图第26页,共41页，2024年2月25日，星期天机组未启动时若油⑽低于10℃时，电加热器⑵启动，电泵⑶每隔30分钟启动工作5分钟。油温⑽高于15℃，电加热器⑵停止加热，电动泵⑶工作，机组启动。机组启动温度必须在油温⑽高于10℃。电动泵⑶出口压力10bar，安全阀设定压力16bar，出口油压过高（超过16bar），安全阀打开。过滤器⑸最高工作压力16bar，安全阀设定压力14bar，当过滤⑸进口与出口压力差值超过3.5bar时（在油温⑽超过40℃时才测定，信号采集至少90分钟），传感器发出信号且红灯亮（绿灯表示工作正常）。风冷器⑹工作压力25bar，最大允许流量140L/min，风冷器⑹的风扇电机在油温＞60℃或高速轴轴承温度⑾＞75℃时，风冷器⑹的风扇电机停止运转。压力控制器⑺的压力监测范围为0.5-6bar，不在此范围内时报警（油温70时压力要求≥0.5bar，油温低于10℃时压力要求≤6bar），若压力＜0.5bar时，报警持续超过5秒则停机。液位下降至定值时液位开关⑼发出报警信号。油温⑽温度不允许超过70℃，否则齿轮箱停机。高速轴轴承温度⑾不允许超过80℃，否则齿轮箱停机。第27页,共41页，2024年2月25日，星期天（2）润滑的安装要求①供油装置应该装在齿轮箱附近，泵吸油管越短越好，其长度以不大于1米为宜。②为保证冷却效果，油、风冷却装置应安装在通风处。③中间连接管路按相关的液压、润滑安装规范进行安装，保证各连接处不泄露。④供油装置投入运行前，必须确认齿轮箱内部清洁度达到ISO440617/15/12级，。第28页,共41页，2024年2月25日，星期天(3)、润滑系统使用与维护①首次启动时应注意油泵电机转向是否正确。②过滤系统入口处设有测压点，可用测压表检查泵的出口压力。③过滤系统上装有滤油器污染发讯器，当滤油器进出口油压差达到3.5bar时，污染发讯器发出信号，此时要及时更换滤芯。如果更换滤芯不及时，滤油器进口压力达到14bar时，滤油器旁通阀将会开启，此时滤油器将会失去过滤作用，齿轮箱必须停止运转。④更换滤芯时必须确认供油装置处于停机状态，滤油器必须卸压。更换滤芯步骤：旋下滤筒，取出旧滤芯。清洗滤筒，把新滤芯装上，旋上滤筒。旋紧滤筒，再回松1/4圈。更换滤芯后，重新启动，注意观察压力表工作压力。第29页,共41页，2024年2月25日，星期天⑤当齿轮箱长时间运行后，箱体内部润滑油会逐渐污染，底部沉淀颗粒状污染物。为提高润滑油系统的清洁度，延长过滤器使用寿命，可对齿轮箱进行旁路冲洗过滤，旁路过滤装置需要用户自备，箱体上预留有安装接口。⑥冬季低温状态时机组启动必须考虑油液的加热。当油温低于-10℃时可采用电加热，将温度升高到10℃以上。当温度低于-10℃至-30℃时，由于润滑油粘度太大，则应采用专用的低温旁路加热系统加热油液。旁路加热和旁路过滤共用接口。第30页,共41页，2024年2月25日，星期天4、齿轮箱维护

主要包括：齿轮箱连接螺栓的力矩检查、齿轮啮合及齿面磨损情况检查、传感器功能测试、润滑及散热系统功能检查、定期更换齿轮油滤清器，油样采集等。（1）检查螺栓和螺母是否紧固（见表4）必须使用经过校正的扭力扳手和液压扳手如果被检查的螺栓数目少于实际数目，那么在这些检查过的螺栓上做好标记，下次检查其他螺栓。如果在检查的螺栓中有一个因松动而达不到指定扭矩，那么所有的螺栓都必须检查第31页,共41页，2024年2月25日，星期天表4螺栓的拧紧力矩表第32页,共41页，2024年2月25日，星期天(2)检查所有部件，特别是齿轮箱、液压系统、刹车和油液泄露。必须排除泄漏点。(3)运行的异常噪音检查。(4)齿轮箱维护之前，必须使风机安全停机，并确保不会因为误操作而启动（确保刹车可靠和风轮锁紧）。(5)检查油位，通过游标窗口检查齿轮箱油位(6)检查齿轮箱是否有漏油，检查所有凹槽、迷宫环和泄漏油液的流迹。第33页,共41页，2024年2月25日，星期天(7)检查油液情况：

①在500小时后必须进行油液的抽样检查，不管运行情况如何抽样时间不得迟于1年，抽样检查油液对于评定各种油液的特性（粘性、老化水融性等）是非常重要的。

②更换油液，如果使用矿物质油必须每2年更换一次，如果使用人工合成油必须每三年更换一次，油液若从外观上就发现变性，应立刻更换。

③油液更换时，必须使用和先前同一牌号的油液，不允许使用混合油或不同生产厂家的油液。如果从矿物油更换到合成油，必须彻底清洗，反之亦然。（旧的油液应在停机之后齿轮箱冷却之前尽快取出）

④更换油液步骤：在放油球阀下放置合适的积油容器，卸下箱体顶部的空气滤清帽，把油槽及凹处的残留油液吸出，或用新油进行冲洗，这样也可以把油槽中的杂质清除干净。清洁位于放油堵头处的磁铁。拧紧放油堵头（检查油封是否失效），卸下观察盖板进行检查。将新油液过滤后注入邮箱。必须使油液油位达到液位计标注的刻度处，以保证轴承和齿轮的润滑可靠。盖上

观察盖板，装上空气滤清帽。第34页,共41页，2024年2月25日，星期天(8)检查齿轮啮合面(9)清洁空气滤清帽，必须每年清洁空气滤清帽，先拧下空气滤清帽，然后

用清洗剂进行清洗，待干燥后再拧上。(10)检查齿轮箱的弹性支承是否有损伤，必须检查弹性支承的磨损情况，是否有裂纹以及老化情况。(11)检查润滑系统是否有泄漏，检查所有的接头和油管是否有泄漏并及时排

除。(12)检查软管是否老化，是否有裂纹，及时处理。(13)检查各传感器开关是否工作正常。(14)检查刹车圆盘的外表面以及上面是否存有油污。并将油污清理干净。第35页,共41页，2024年2月25日，星期天(15)检查圆盘表面：必须保证圆盘的表面平整，圆盘边缘没有条纹状裂纹。如有发现及时更换。(16)定期检查制动块的磨损情况，确保各制动块最少有1mm的摩擦层。(17)检查刹车夹钳是否有油污，或者其他黏附物，任何油污物都必须清楚。(18)检查刹车夹钳的腐蚀情况，如果发现有腐蚀的地方必须清楚，并对腐蚀区域加以保护。(19)塔筒焊缝需要做定期检查，半年一次。第36页,共41页，2024年2月25日，星期天5、齿轮箱运行过程中常见故障的处理

下面是我们摘录的齿轮箱运行中的常见故障的处理，希望对大家的日常工作有指导作用。1、齿轮油泵过载常见原因：多发生在冬季低温气象条件之下，长期停机后齿轮箱温度下降较多，齿轮油粘度增加，造成油泵启动时负载较重，导致油泵电机过载。处理方法：逐步加热齿轮油至正常值后再启动风机，。注意事项：冬季低温工况下，因齿轮油温度偏低，粘度增大，使润滑系统工作压力升高，波动较大，导致滤清器密封圈损坏，齿轮油外泄。过载的另一常见原因是油泵电机输出轴油封老化，导致齿轮油进入接线端子盒接触不良，出现油泵过载故障，出现上述情况后应更换油封，清洗接线端子盒及电机绕组，并加温干燥后重新恢复运行。第37页,共41页，2024年2月25日，星期天2、齿轮油温度过高常见原因：齿轮油温度过高一般是因为风电机组长时间处于满发状态，润滑油因齿轮箱发热而温度上升超过正常值。处理方法：出现温度接近齿轮箱工作温度上限的现象时，可敞开塔架大门，增强通风降低机舱温度