王 亭

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山 528400）

0 引言

齒輪箱是非直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備，承擔(dān)著傳遞扭矩及增加轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的功能。在某種程度上，齒輪箱的正常與否直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在出廠交付至風(fēng)電整機(jī)商之前，齒輪箱一般會(huì)經(jīng)過各類功能與性能測試，合格后方可順利出廠。隨著風(fēng)電機(jī)組的投入并網(wǎng)運(yùn)行，齒輪箱在多年長期帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，有可能會(huì)出現(xiàn)磨損異常，本文則以存在磨損的機(jī)組為例，通過分析齒輪箱相關(guān)參數(shù)，找出在齒輪箱磨損上，機(jī)組參數(shù)的真實(shí)表現(xiàn)。據(jù)此可以反映齒輪箱的磨損程度，必要時(shí)則啟動(dòng)停機(jī)檢修流程，避免齒輪箱的故障持續(xù)擴(kuò)大，防止帶來更大的損失。

安裝某機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)場，自并網(wǎng)投運(yùn)以來，其運(yùn)行狀況一直良好。而其中某臺機(jī)組（以001#機(jī)組命名編號）在近期的例常巡檢中，發(fā)現(xiàn)其負(fù)荷出力相較其他機(jī)組略微偏低。經(jīng)全面檢查，確認(rèn)該風(fēng)機(jī)齒輪箱存在磨損異常，故以該機(jī)組為例，分析該機(jī)組在剛投入和發(fā)生磨損故障后部分參數(shù)的變化，進(jìn)而得出齒輪箱磨損故障的數(shù)據(jù)特征。

1 潤滑油箱油位

齒輪箱中的潤滑油在機(jī)組正常運(yùn)行期間，一方面在齒輪箱的齒間形成油膜、防止干磨，一方面帶走齒輪箱運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，所以潤滑油在一定程度上可以反映齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)取出現(xiàn)齒輪箱磨損的風(fēng)機(jī)潤滑油液位觀察后可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組剛投入運(yùn)行和發(fā)生磨損故障異常后潤滑油油位出現(xiàn)較大偏差，且整體呈現(xiàn)上升趨勢（圖1）。

圖1 齒輪箱磨損的風(fēng)電機(jī)組油位時(shí)序圖

發(fā)生磨損故障后，齒面上的碎屑會(huì)落入齒輪箱底部，此時(shí)潤滑油油箱的油位會(huì)隨之發(fā)生變化，隨著故障的嚴(yán)重程度加劇，油位的上漲趨勢也愈發(fā)明顯（已剔除計(jì)劃性的潤滑油加注的影響）。

如果風(fēng)電機(jī)組齒輪箱存在斷齒故障，則進(jìn)入潤滑油油箱中雜物會(huì)更多，此時(shí)潤滑油油箱油位上升趨勢會(huì)更加明顯，且油位的上漲趨勢劇烈，所以通過油位的上漲，則可以判斷機(jī)組是否存在磨損或者斷齒異常，當(dāng)然此時(shí)需要排除是人為加注潤滑油導(dǎo)致的油位突然上漲。

2 齒輪箱軸承溫度及潤滑油溫

齒輪箱發(fā)生磨損前后，碎屑會(huì)堵塞濾網(wǎng)并會(huì)影響齒輪的嚙合情況。對齒輪箱潤滑油系統(tǒng)進(jìn)油口A1～A4 口油壓的均值等重要數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以查找異常趨勢，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。其中，時(shí)段1 是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投運(yùn)初期，時(shí)間段2 則是與故障機(jī)組發(fā)生齒輪箱磨損故障后相同的時(shí)間區(qū)間（下同），并且時(shí)間段2 要求發(fā)電功率大于3000 kW。

表1 001#機(jī)組潤滑油壓重要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過表1 可知，齒輪箱A1～A4 口的油壓在故障發(fā)生前后，其在最大值、最小值、均值、中位值以及方差數(shù)值變化趨勢是一致的（同時(shí)增大或同時(shí)減?。?。

另外，潤滑油壓方差，故障發(fā)生后基本為故障發(fā)生前的2 倍以上，相關(guān)數(shù)據(jù)也說明，齒輪箱磨損的機(jī)組其油壓在數(shù)值分布更加分散。從系統(tǒng)角度來看，齒輪箱磨損會(huì)對原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成較大影響。

3 齒輪箱軸承溫度及潤滑油溫

從圖2 可以看出，齒輪箱主軸承溫度、發(fā)電機(jī)前后軸承溫度在磨損故障發(fā)生前后，其數(shù)值并未出現(xiàn)明顯的上漲，但由于軸承產(chǎn)生的熱量被潤滑油冷卻系統(tǒng)帶走，所以有可能齒輪箱磨損會(huì)導(dǎo)致軸承運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量增加，但由于受潤滑油冷卻系統(tǒng)的影響，軸承溫度升高的異常并未凸顯，而在潤滑油冷卻系統(tǒng)上會(huì)有所體現(xiàn)。

圖2 001#機(jī)組軸承溫度趨勢

為此，進(jìn)一步分析潤滑油冷卻系統(tǒng)。從圖3 可以看出，冷卻風(fēng)扇啟停在風(fēng)電機(jī)組剛投運(yùn)初期，啟動(dòng)次數(shù)明顯少于齒輪箱磨損故障發(fā)生后（風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)信號為“1”，停運(yùn)時(shí)為“0”）。由于風(fēng)電機(jī)組潤滑油冷卻系統(tǒng)的控制邏輯并未發(fā)生改變，這說明齒輪箱在發(fā)生磨損后產(chǎn)生的熱量明顯多于投運(yùn)初期。

圖3 齒輪箱油溫及冷卻風(fēng)扇啟停時(shí)序圖

為從數(shù)據(jù)上說明風(fēng)扇運(yùn)行情況的變化，本節(jié)將選取該故障風(fēng)機(jī)以及2 臺正常風(fēng)機(jī)M、N 機(jī)組進(jìn)行對比，其中篩選發(fā)電功率大于3000 kW的一段時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算在該功率區(qū)間下的累計(jì)運(yùn)行時(shí)長及風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間占比進(jìn)行對比分析，齒輪箱磨損異常的機(jī)組，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。其中，時(shí)段1 是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投運(yùn)初期，時(shí)間段2則是與故障機(jī)組發(fā)生齒輪箱磨損故障后相同的時(shí)間區(qū)間（下同）；冷卻風(fēng)扇累計(jì)運(yùn)行時(shí)長/機(jī)組運(yùn)行時(shí)長。

從表2 可以看出，在時(shí)間段1，3 臺機(jī)組的所處的環(huán)境溫度大致相同，此時(shí)冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)間占比相差不大，其中001#機(jī)組略微偏大；但在時(shí)間段2，雖然3 臺機(jī)組所處的環(huán)境溫度也大致相同，但此時(shí)001#機(jī)組的冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)間占比與M、N 兩臺機(jī)組差距已明顯增大最大偏差達(dá)8.62%，而M、N 兩臺機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間占比相差不大，偏差僅0.90%。說明在時(shí)間段2，存在齒輪箱磨損的001#機(jī)組，其需要帶走的熱量明顯已多于另外兩臺機(jī)組。

表2 3 臺機(jī)組潤滑油冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)長占比統(tǒng)計(jì)分析

4 發(fā)電折算功率對比分析

一般情況下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率隨風(fēng)速的增加而增大；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片經(jīng)變槳系統(tǒng)的控制，其機(jī)組功率不再隨風(fēng)速的增加而增大，轉(zhuǎn)而維持在額定負(fù)荷。所以，為了評估齒輪箱磨損對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，其環(huán)境風(fēng)速不能大于額定風(fēng)速，否則無法評估齒輪箱磨損對發(fā)電折算功率的影響。

本節(jié)將選取風(fēng)速在一定范圍內(nèi)（低于額定風(fēng)速），計(jì)算在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的累計(jì)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)長，對故障發(fā)生前后的發(fā)電量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其折算功率（發(fā)電量/并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)長）?？芍摍C(jī)組在風(fēng)速大于10.5 m/s 時(shí)即可實(shí)現(xiàn)滿發(fā)，功率已達(dá)到上限。故為甄別齒輪箱磨損對發(fā)電機(jī)折算功率是否存在影響，本文選取風(fēng)速為8～9 m/s（低于額定風(fēng)速），計(jì)算在該風(fēng)速段內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行累計(jì)時(shí)長、發(fā)電量，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算折算發(fā)電功率（表3）。

表3 001#機(jī)組在選定風(fēng)速內(nèi)運(yùn)行情況分析

從表3 可以看出，齒輪箱磨損異常發(fā)生后發(fā)電機(jī)折算功率比投運(yùn)初期時(shí)間段內(nèi)減少了190 kW，前后變化比例為6.7%。

為綜合分析數(shù)據(jù)，對該風(fēng)場其他2 臺風(fēng)機(jī)（正常運(yùn)行）在選定風(fēng)速內(nèi)（8～9 m/s）也進(jìn)行發(fā)電折算統(tǒng)計(jì)分析。在選定風(fēng)速段內(nèi)，選取了2 個(gè)時(shí)間段，X、Y 機(jī)組發(fā)電折算情況對比分析見表4。

從表4 可以看出，在上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，X 風(fēng)機(jī)折算功率變化為91 kW，相較于齒輪箱磨損的故障機(jī)組變化也較小；在上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，Y 機(jī)組折算功率變化為-35 kW，同樣相較于齒輪箱磨損的異常機(jī)組變化也較小。

表4 X 機(jī)組和Y 機(jī)組在選定風(fēng)速內(nèi)運(yùn)行情況分析

一般來說，齒輪箱發(fā)生磨損故障，其嚙合效率會(huì)降低，從輪轂傳遞過來的機(jī)械能一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能散失掉。而從本節(jié)分析出來的數(shù)據(jù)結(jié)論來看，出現(xiàn)齒輪箱磨損機(jī)組的發(fā)電折算功率變動(dòng)較為明顯，X、Y 兩臺正常的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)折算功率波動(dòng)則明顯較小。

5 結(jié)束語

從重要參數(shù)齒輪箱油位、齒輪箱油壓、齒輪箱軸承溫度、潤滑油油溫與冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)情況以及發(fā)電折算統(tǒng)計(jì)分析可以得知，對于存在齒輪箱磨損故障的機(jī)組，其在參數(shù)方面，故障發(fā)生前后會(huì)有不同程度的異常。針對齒輪箱磨損異常，其監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)異常特征可以總結(jié)如下：

（1）齒輪箱油位變化趨勢比較明顯，即當(dāng)出現(xiàn)磨損時(shí)其一般會(huì)呈現(xiàn)逐漸上漲的趨勢。

（2）齒輪箱油壓也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，但需要考慮磨損的位置對A1～A4 口具體影響。

（3）齒輪箱軸承溫度和潤滑油溫在異常發(fā)生前后，其趨勢并未發(fā)生較大波動(dòng)，而潤滑油冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)長占比上漲明顯，這說明由磨損引發(fā)的故障效應(yīng)，最終在冷卻風(fēng)扇的作用下將熱量傳遞至自然環(huán)境。

（4）通過計(jì)算發(fā)電折算功率，可以大致看出，發(fā)電機(jī)在齒輪箱磨損異常后傳動(dòng)效率也會(huì)下降。