毕业设计·风力发电机组齿轮箱的故障及其分析

XX 职业技术学院

毕业设计（论文）

2010 级风能与动力技术专业

题目：风力发电机组齿轮箱的故障及其分析

毕业时间：二O 一三年六月

学生姓名：X X X

指导教师：X X X

班级：10风电（1）班

2012 年12月20日

酒泉职业技术学院2013 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表

目录

一、绪论 (1)

(一)风力发电机组齿轮箱故障诊断的意义 (1)

二、风力发电机组齿轮箱的故障诊断 (2)

（一）风力发电机组齿轮箱的常见故障模式及机理分析 (2)

（二）齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略 (6)

（三）针对齿轮箱不同故障的改进措施 (9)

三、结论 (12)

参考文献: (12)

致谢 (13)

风力发电机组齿轮箱的故障及其分析

摘要:随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力，能源问题和环境污染日益突出。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源，因其使用便捷、可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展。风力发电己成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故，造成巨大的经济损失。

本论文先探讨了课题的实际意义以及风力发电机常见的故障模式，在这个基础上对齿轮箱故障这种常见故障做了详尽的阐述，包括引起故障的原因、如何识别和如何改进设计。通过对常见故障的分析，给风力发电厂技术维护提供故障诊断帮助，同时也给风电设备制造和安装部门提供理论研究依据。

关键词:风力发电机;故障模式;齿轮箱;故障诊断

一、绪论

(一)风力发电机组齿轮箱故障诊断的意义

风电对缓解能源供应，改善能源结构、保护环境和电力工业的持续发展意义重大。这些年来，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。随着大型风力发电机组装机容量的增加，其系统结构也日趋复杂，风力发电机的故障也成为一个不容忽视的问题。

随着风电机组运行时间的加长，目前这些机组陆续出现了故障（包括风轮叶片、变流器、齿轮箱、变桨轴承，发电机、以及偏航系统等都有），导致机组停止运行。当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严重的安全事故。风电机组的部分部件一旦损坏，在风电场无法修复，必须运到专业厂家进行修理。因其维修费用高、周期长、难度大，势必给风电场造成巨大的经济损失，严重影响了风电的经济效益。

风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压的偏差、电压的波动和闪变、谐波以及周期电压脉动等。当风电机组发生故障时，输往电网的

有、无功功率发生波动，且造成电网的谐波污染和电压波动。伴随的危害有照明灯光的闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工作状况等。风电机组的故障也会导致风力发电机从额定出力状态自动退出并网状态，风力发电机组的脱网会导致电网电压的突降，而机端较多的电容补偿高于脱网前风电场的运行电压，引起了电网电压的急剧下降，从而影响接在同一个电网上的其它电气设备的正运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。

风力发电机组因为长期工作在野外、暴晒和雷雨等恶劣环境中，其损坏率高达40％-50％。同时，由于风力发电设备的维护技术跟不上风力发电的发展速度，一旦其关键零部件(如齿轮、轴承、叶片等)发生故障，将会使设备损坏、发电机停机，带来严重的经济损失。例如,2006年，德国北部奥尔登堡的一台风力发电机的转子叶片被强风刮断,长达10米的沉重碎片飞到20米远的田地里，造成了严重的事故;2007年，荣成市港西镇附近的风力发电机因齿轮油泄漏，导致其周围5.07亩的海参饲养池受到污染，造成海参大量死亡。

风机维护主要分为定期检修和日常排故维护两种方式。定期的维护保养可以让设备保持最佳状态，并延长风机的使用寿命，是重要的维护方式。但是定期维修可能存在维修不足、维修过剩的问题。日常排故维护是在风机出现故障时及时去现场进行设备检修，为了避免因故障造成意外停电，还要求维护人员能够实时监测风机的运行状态并预测、诊断故障。

随着野外装机规模的不断扩大，风力发电机系统的故障诊断也就显得越来越重要了。风力发电系统主要由将风能转换为机械能的风力机和将机械能转换为电能的发电机两大部分组成，其中发电机是整个系统的核心，直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，同时也是系统中易发生故障的部分。由于风力发电机受到的风场切片风复杂多变，且长期工作在野外、暴晒和雷雨等的恶劣环境中，易发生多种机械或电气故障。因此开展对风力发电机故障诊断的研究，及时发现系统的早期故障并进行维修，提高风力发电机组运行的可靠性，对保证风力发电机的正常安全运行具有重大的实际意义。

二、风力发电机组齿轮箱的故障诊断

（一）风力发电机组齿轮箱的常见故障模式及机理分析

风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，它安装在距地面几十米高架

塔之上狭小的机舱内，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速，它的正常运行关系到整机的工作性能。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。

齿轮箱系统一般包括齿轮、轴承、轴和箱体4部分。其零部件如齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂，装配精度高，再加上风力发电机常常在高速重载荷下连续工作，而其状态的好坏往往直接影响到机械设备的正常工作，故对齿轮传动系统进行诊断是故障诊断技术问世以来一直受到人们普遍重视的课题之一。

风电技术的快速发展和单机容量的增加，使得风力机的规模越来越大，对其性能的要求也越来越高。随着大重型机组的投入运行，齿轮箱的故障频率也随之增加。据统计，一台风力机故障停机时间的20%是由齿轮箱故障引起的。一旦齿轮箱出现问题，除了高额的维修费用，长时间停机造成的发电量损失也是巨大的。

风力发电机组齿轮箱常见故障按发生部位分主要有齿轮损伤，轴承损坏，断轴等。齿轮损伤主要包括：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。轴承损坏主要包括磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效、胶合失效。轴的故障主要有轴弯曲，轴向窜动，轴不对中等。

1.齿面磨损

齿轮的磨损部位主要是齿的啮合和渐开线工作面以及齿轮两端平面。磨损一般包括四种。第一种是正常的磨损或磨光它是由接触表面上的金属以一定的速率缓慢的损耗，在齿轮的预期寿命内它对正常的使用将不影响。第二种是中度磨损，它可能产生于重负荷的轮齿，是金属的较快的损耗。该种磨损一定产生破坏, 也会降低使用寿命,并可能加大噪音。第三种则是破坏性磨损，它是齿面的损伤、损坏或由于磨损而造成齿廓的变化以至于达到非常严重的程度, 显著的降低齿轮的寿命,平稳

性也将受到破坏。第四种是磨料性磨损，它是角于在轮齿的啮合中进入细颗粒而引起损坏。这种颗粒可能是来自铸造后遗留的砂或片落，齿轮箱中未清除的污物, 油中或空气中的杂质以及轮齿表面或轴承剥下的金属颗粒。

根据不同的磨损机理，可将齿轮的磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。磨粒磨损主要是梨沟和微观切削作用,粘着磨损与表面分子作用力和摩擦热密切相关。疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果,而腐蚀磨损则是由环境介质的化学作用产生。在实际的磨损现象中，通