何小靜

采埃孚（天津）風電有限公司 天津 300402

隨著對風能的需求量越來越大，風電場的規(guī)模和裝機容量也在不斷擴大，同樣風力發(fā)電機組的維護成本也隨之增大。因此，確保風電場的高效運行，減少風力發(fā)電機組的運行維護成本，并提高其可靠性己經(jīng)成為風電生產(chǎn)商的重要任務之一。風電齒輪箱是風力發(fā)電機組動力傳遞的關鍵設備，通常安裝在離地面六十至七十米左右、空間非常狹窄的機艙內(nèi)，造價非常昂貴。風電齒輪箱一旦發(fā)生故障，維修起來不但特別困難，而且維修成本高昂。因此，保證風電齒輪箱的健康運行可以顯著提高風電場的經(jīng)濟效益[1]。

1 風電齒輪箱運行故障

1.1 齒面磨損

齒面磨損是齒輪嚙合過程中不可避免的物理過程。齒輪嚙合通過齒面之間的相互作用來傳遞動力，因此齒輪嚙合過程勢必會導致輪齒接觸面出現(xiàn)磨損。如果齒輪磨損后齒面光滑平坦、沒有宏觀撕裂和損傷、各項公差在允許范圍內(nèi)，這種磨損稱為正常磨損，正常磨損不影響齒輪的正常功能。如果潤滑油含有硬質(zhì)顆?；螨X面接觸部位潤滑不良或動力沖擊大，齒輪嚙合過程往往會導致齒面出現(xiàn)非正常的早期磨損，這時齒面的形狀會發(fā)生改變，齒輪失去正常的功能，齒輪振動和噪聲相應增大，嚴重的齒面磨損將導致齒輪永久失效。按照磨損成因的不同，齒面磨損可以分為磨粒磨損、腐蝕磨損和齒輪端面沖擊磨損三種。

1.2 斷齒

斷齒是指齒輪根部在循環(huán)彎曲應力作用下出現(xiàn)裂紋，裂紋不斷擴散從而出現(xiàn)的輪齒斷裂現(xiàn)象。齒輪的受力情況類似于懸臂梁，在齒輪嚙合過程中外部載荷會在齒輪根部產(chǎn)生循環(huán)彎曲應力，當循環(huán)彎曲應力過大或時間過長時就會導致齒根出現(xiàn)裂紋，當外部載荷超過齒輪所能承受的外力極限時輪齒就會發(fā)生斷裂。過大的沖擊載荷、嚴重的偏載和材質(zhì)不均勻都會導致齒輪出現(xiàn)斷齒[2]。

1.3 疲勞剝落

滾動軸承工作時，滾動體在滾道內(nèi)相互擠壓，滾動體和滾道既承受載荷又有相互滾動，在交變載荷的反復作用下軸承表面會出現(xiàn)冷作硬化，造成軸承表面與內(nèi)部應力分布不均，在表面最大應力處出現(xiàn)微小裂紋，在交變載荷的持續(xù)作用下裂紋逐漸擴展到表面，最終形成片狀或點坑狀表面剝落，滾動軸承的這種失效形式稱為疲勞剝落。潤滑不良、安裝誤差或者載荷分布不均勻都會導致滾動軸承出現(xiàn)疲勞剝落。滾動軸承出現(xiàn)疲勞剝落后，振動和噪聲水平急劇升高，工作性能急劇下降。

1.4 腐蝕

軸承表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學反應或軸承表面存在電化學反應，從而在軸承表面造成的損傷，這種失效形式成為腐蝕。軸承腐蝕分為化學腐蝕和電腐蝕?；瘜W腐蝕是指環(huán)境中的水汽進入軸承從而對軸承表面造成的腐蝕，或者是潤滑油中的某些成分對軸承表面造成的腐蝕。電腐蝕是指當有電流通過滾動軸承時，會在滾動體與滾道接觸點處產(chǎn)生電火花，造成局部熔融現(xiàn)象，導致軸承表面粗糙不平，腐蝕反應物在載荷作用下會脫落，軸承表面產(chǎn)生凹坑，導致軸承喪失正常工作能力。

2 齒輪箱運行狀態(tài)監(jiān)測

由于齒輪和軸承是齒輪箱內(nèi)部最容易發(fā)生故障的部件，因此齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的重點是齒輪和軸承運行狀態(tài)的監(jiān)測。齒輪箱運行狀態(tài)監(jiān)測就是從齒輪箱源信息中提取出能夠反映齒輪箱部件運行狀態(tài)的特征參數(shù)，對該特征參數(shù)進行跟蹤，對比不同運行階段、不同運行狀態(tài)下特征參數(shù)的變化，或者將該特征參數(shù)與已有的故障數(shù)據(jù)庫進行對比，從而判斷齒輪箱的運行狀態(tài)。與其它源信息相比，振動信號更容易獲取，同時信號處理技術的飛速發(fā)展也為振動信號處理提供了強大的技術支持，因此基于振動信號處理的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測中占據(jù)著主導地位。

現(xiàn)代信號處理技術的發(fā)展使得研究人員可以從多個角度對齒輪箱振動信號進行研究。在時域，可以分析振動信號的均值、方差、有效值、偏斜度、峭度和相關函數(shù)等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的變化情況判斷齒輪箱及其部件的運行狀態(tài)。在頻域，可以分析齒輪箱振動信號的幅值譜、功率譜、倒譜和譜峭度等，提取能夠表征齒輪箱及其部件運行狀態(tài)的特征參數(shù)，據(jù)此判斷齒輪箱及其部件的運行狀態(tài)。此外，由于齒輪箱振動信號通常是非平穩(wěn)信號，因此可以對其進行時頻分析，研究振動信號的瞬時特征，據(jù)此判斷齒輪箱及其部件的運行狀態(tài)。另外，可以把齒輪箱看作是一個復雜的動力系統(tǒng)，根據(jù)齒輪箱振動信號非線性和確定性的變化對齒輪箱及其部件的運行狀態(tài)進行監(jiān)測[3]。

3 結(jié)語

在當前科學技術飛速發(fā)展的背景下，機械設備向著大型化、高性能和智能化發(fā)展，齒輪箱作為變速傳動裝置在各類大型機械設備中發(fā)揮著越來越重要的作用。齒輪箱由齒輪、滾動軸承、軸、箱體、緊固件和油封等部件構成。齒輪箱具有復雜的結(jié)構，通常工作在惡劣的環(huán)境下，再加上制造安裝誤差、載荷變動和潤滑不良等因素，齒輪箱部件容易出現(xiàn)故障。本文在分析現(xiàn)有風電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的基礎上，針對齒輪箱特別是風電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷問題進行了研究，提出了一些狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法[4-5]。