風電機組齒輪箱故障分析報告

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1、Gamesa 機組齒輪箱故障原因分析,2020年9月14日,2,Gamesa機組簡介,G52/58機組為典型的“丹麥設(shè)計”風電機組 水平軸 三葉片 上風向 主動偏航 變槳距功率調(diào)節(jié) 雙饋式變速恒頻控制,3,Gamesa機組簡介,機組采用常見的“一字型” 布置形式,為保證變槳系統(tǒng)的安裝位置,齒輪箱輸出軸在機組的左側(cè),與發(fā)電機相連,主軸采用雙軸承設(shè)計。,4,故障現(xiàn)象,現(xiàn)場巡檢中,在塔架下部聽到機艙發(fā)出很大的異常聲音。 停機進入機艙檢查發(fā)現(xiàn): 轉(zhuǎn)速到350RPM左右時,齒輪箱殼體與輸入軸相對前、后軸向竄動,躥動量為3-5mm左右; 在行星輪外齒圈處有很大的“咕咚、咕咚”撞擊聲音,聲音均勻而且連續(xù),異

2、音和撞擊同步出現(xiàn)。,5,故障初步分析,根據(jù)齒輪箱聲音大小和撞擊位置手感檢查,初步判定齒輪箱行星輪位置有故障; 齒輪箱觀察孔無法觀察到行星齒部分; 受齒輪箱結(jié)構(gòu)限制,內(nèi)窺鏡也無法觀察; 齒輪已出現(xiàn)故障,齒輪油監(jiān)測無法判斷故障部位; 采用振動監(jiān)測可初步判斷故障部位;,6,振動監(jiān)測分析,測試儀器:便攜式離線振動監(jiān)測設(shè)備 測試狀態(tài): 機組并網(wǎng)運行, 發(fā)電機轉(zhuǎn)速:8601200rpm左右; 發(fā)電功率:40120kW左右; 記錄數(shù)據(jù): 傳動系統(tǒng)的多點的振動頻率、幅值與加速度; 發(fā)電機實時轉(zhuǎn)速; 機組實時輸出功率; 實時風速;,7,振動監(jiān)測分析,記錄機組實時輸出功率與實時風速的原因: 采用便攜式振動監(jiān)測儀,

3、僅兩個記錄通道,無法同時測量多點的數(shù)據(jù),必須保證各點測量時機組轉(zhuǎn)速較接近; 雙饋機組在810m/s區(qū)段轉(zhuǎn)速變化較快,為保證測量的準確性,記錄功率和風速可以在對轉(zhuǎn)速的變化值進行校驗;,8,振動監(jiān)測分析,測點布置如圖,共11點;,9,振動監(jiān)測分析,各采集點理論上均應(yīng)位于軸承座6點鐘位置(承載區(qū))上,可是個別位置由于傳感器安放不方便只能做到盡可能接近承載區(qū)。 采集并分析的振動參數(shù)為以下兩種: 速度頻譜:檢測由于如松動、不平衡和不對中等低頻振動故障;監(jiān)測和確認軸承、齒輪缺陷階段。 加速度包絡(luò)線譜:齒輪嚙合,軸承早期缺陷,潤滑不良,重復(fù)性沖擊等問題。,10,振動監(jiān)測分析,11,振動監(jiān)測分析,從數(shù)據(jù)結(jié)果推

4、算 太陽輪軸轉(zhuǎn)速=45 r/min 中間軸轉(zhuǎn)速=330 r/min 輸出軸轉(zhuǎn)速=930 r/min 結(jié)合監(jiān)測記錄,輸出軸轉(zhuǎn)速為984 r/min ,由于風力機組處于低負載運行狀態(tài),轉(zhuǎn)速變化快,認為兩個結(jié)果一致; 初步診斷為行星輪軸承出現(xiàn)問題,該故障處于嚴重階段。,12,振動監(jiān)測分析,13,振動監(jiān)測分析,從上圖中可以看到齒輪箱故障已經(jīng)影響到機艙大幅度軸向振動。 齒輪箱振動總值29.11mm/s,,14,故障原因初步分析,主軸箱軸承故障 當主軸箱內(nèi)雙列滾子軸承工作游隙增大時,軸承外圈被軸承座和端蓋所固定無法移動,主軸會帶動軸承內(nèi)圈軸向竄動,這種缺陷在轉(zhuǎn)動設(shè)備中運行中很常見。 由于主軸和齒輪箱低速輸

5、入軸被脹緊套連接為一個相對剛性整體,主軸前后竄動會通過脹緊套將力矩傳遞給齒輪箱行星輪,行星輪軸向躥動撞擊齒圈和端蓋發(fā)出異音,同時行星輪前后軸承內(nèi)、外圈位移增大而S值超標損壞。,15,故障原因初步分析,緊急剎車造成行星輪齒輪損壞 行星輪和外齒圈曾經(jīng)在其它的多種機型上,發(fā)生過因為緊急剎車造成行星輪斷齒損壞,最后外齒圈斷齒與行星輪抱死的惡性事故。 分析其原因一方面是制造工藝不良、材質(zhì)選用不當、裝配工藝差等制造裝配問題;另一方面風力機緊急剎車時會使行星輪承受較大的扭力矩,頻繁緊急剎車會在齒輪受力疲勞損傷后,發(fā)生行星輪斷齒、輪齒剝光、外齒圈斷齒等故障,進而損壞行星輪軸承。,16,故障原因初步分析,變槳液

6、壓缸故障 變槳液壓缸利用螺栓固定在齒輪箱尾部與其成為一個整體,變槳桿一端在液壓缸內(nèi)與活塞連接,一端穿過齒輪箱二級套管與輪轂內(nèi)三腳架超級螺母連接固定。 液壓系統(tǒng)油質(zhì)臟、比例閥故障、缸體活塞磨損泄油,都會使變槳液壓缸供油壓力發(fā)生急劇變化,壓力作用于活塞造成液壓缸體帶動齒輪箱一起振動。箱體和軸承座為整體鑄造件,箱體前后竄動必然會使軸承外圈和軸承座之間位移磨損,進而損壞軸承及軸承座。,17,修復(fù)方案,根據(jù)故障分析結(jié)果,制定了修復(fù)方案: 對可能的故障點進行進一步檢查; 更換備用齒輪箱,盡快恢復(fù)機組運行; 對損壞齒輪箱進行解體檢查; 落實軸承損壞的具體原因,18,檢查結(jié)果,檢查點:主軸箱體 檢查結(jié)果: 塞

7、尺檢查主軸箱安裝側(cè)隙不大于安裝要求0.50mm,外觀和力矩檢查地腳螺栓無松動,安裝標記線清晰完整; 外觀和力矩檢查主軸與輪轂連接螺栓無松動,輪轂連接法蘭無明顯裂紋和缺損; 外觀和力矩檢查主軸箱端蓋螺栓無松動,螺栓彈簧墊圈完好無斷裂,主軸箱軸承端蓋無裂紋和漏油。主軸箱殼體無裂紋和其它缺陷,塞尺檢查主軸和齒輪箱輸入軸間隙不大于1mm; 由于主軸箱無法解體檢查軸承,主軸的飄偏度和同心度無法檢查,打開軸承端蓋檢查軸承側(cè)面,確認油脂顏色正常無焦糊現(xiàn)象,滾動體無傷痕,軸承座完好無磨損痕跡,軸承內(nèi)圈擋圈環(huán)無變形損壞、固定牢固。,19,檢查結(jié)果,檢查點:脹緊套 檢查結(jié)果: 錐形脹緊套(內(nèi)套)與軸接觸的部位有較

8、為明顯的滑動痕跡,但沒有毛刺、拉傷、凸起、溝槽等缺陷,不影響繼續(xù)使用; 螺栓孔完整無傷痕,螺紋完好無拉傷、斷裂和螺紋滑扣等缺陷; 力矩檢查螺栓緊力符合標準;,20,檢查結(jié)果,21,檢查結(jié)果,檢查點:彈性支撐 檢查結(jié)果: 力矩檢查齒輪箱彈性支撐緊固螺栓無松動,外觀檢查支撐無彎曲變形、連接螺栓完好; 檢查扭力臂關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動靈活,內(nèi)表面和球面光滑完整未見磨損、劃痕、裂紋、銹蝕等缺陷,關(guān)節(jié)軸承密封件完整無損壞,彈性橡膠塊無缺損,錨銷無傷痕。,22,檢查結(jié)果,23,檢查結(jié)果,檢查點:變槳機構(gòu) 檢查結(jié)果: 液壓缸殼體無裂紋和損傷,傳感器安裝牢固無松動,變槳桿無彎曲、劃痕、磨損、凹坑、銹蝕、脫皮等缺陷; 白

9、軸光滑無損傷,白軸后部尼龍軸承完好; 黑軸螺栓固定端焊口前套斷裂缺損,經(jīng)分析是滑動軸承間隙增大后白軸擺動擠裂,不影響繼續(xù)使用; 連接螺栓無松動, 連接螺紋完好、緊密牢固; 三腳架上螺栓孔無磨損變形,防轉(zhuǎn)桿光滑無彎曲變形,變槳軸承轉(zhuǎn)動無卡澀現(xiàn)象,葉片變槳拐臂螺栓無松動和斷裂;,24,檢查結(jié)果,25,檢查結(jié)果,檢查點:齒輪箱 檢查結(jié)果: 箱體內(nèi)低速軸前軸承座內(nèi)徑磨損0.30mm; 行星輪前、后兩盤軸承S值超標增大2.3mm; 低速輸入軸軸承磨損; 潤滑油顆粒度超標;,26,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果:低速軸前軸承座內(nèi)徑磨損,27,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果:軸承S值超標,28,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果:軸承S值超標,2

10、9,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果:低速輸入軸軸承磨損,30,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果分析: 從齒輪箱解體檢查情況上分析,由于軸承游隙增大,導(dǎo)致運行中齒輪躥動,相互撞擊,發(fā)出異常聲音; 齒輪躥動,軸承受力超出設(shè)計值,外圈與軸承座發(fā)生相對位移,由于箱體材質(zhì)為鑄鐵,發(fā)生磨損; 磨損的顆粒進入軸承,導(dǎo)致軸承磨損;,31,檢查結(jié)果,齒輪箱發(fā)生損壞的原因: 齒輪箱自身缺陷; 外部原因?qū)е慢X輪箱損壞; 具體原因待落實;,32,機組恢復(fù),安裝備用齒輪箱,機組恢復(fù)運行; 在機組恢復(fù)后,進行整機的測試;發(fā)現(xiàn)當轉(zhuǎn)速達到800RPM以上時,齒輪箱箱體軸向前后竄動頻率不斷增大,機艙振動明顯,聲音很大 ; 機組存在其他缺陷;,33,其他

11、檢查,控制系統(tǒng)檢查時發(fā)現(xiàn): 在10m/s風速下PITCH AND BRAKE測試中設(shè)定變槳值為30和轉(zhuǎn)速達到570rpm時風力機組發(fā)出Gene-Rotor Discrepancy(轉(zhuǎn)速不匹配)故障兩次; CCU X111(Encoder)端子排01端子接線松動; 緊固端子排接線后在重復(fù)RPM TEST時通過測試,機組未報故障; 啟動機組,齒輪箱軸向躥動消失,運行平穩(wěn),未見振動和異音,機組并網(wǎng)運行 。,34,故障分析,依據(jù)齒輪箱解體后部件損壞和新齒輪箱安裝缺陷處理的情況,分析如下: 主軸箱軸承故障引起齒輪箱軸承損壞的分析不成立; 緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承的分析不成立; 控制系統(tǒng)導(dǎo)致變槳機構(gòu)故

12、障是造成該機組齒輪箱振動和軸承損壞的原因;,35,故障分析,主軸箱軸承故障引起齒輪箱軸承損壞的分析不成立 第一種分析認為主軸箱軸承工作游隙增大,是造成齒輪箱振動和軸承損壞的原因。通過對主軸箱外部檢查,確認主軸箱安裝間隙無變化,地腳螺栓緊力符合要求,安裝標記清晰完整。主軸與輪轂連接螺栓無松動且緊力符合要求,輪轂連接法蘭未發(fā)現(xiàn)裂紋和缺損等缺陷。外觀和力矩檢查主軸箱前后軸承端蓋螺栓無松動,軸承端蓋無裂紋和漏油現(xiàn)象,主軸箱殼體無裂紋和其它缺陷。 新齒輪箱安裝后檢查主軸竄動量小于0.10mm,現(xiàn)場實測主軸箱振動0.03mm。這兩項測量數(shù)據(jù)說明軸及軸承運轉(zhuǎn)平穩(wěn),軸承工作游隙正常,主軸未發(fā)生軸向竄動和跳動。

13、 基于主軸竄動而引起齒輪箱振動和軸承損壞的分析不成立。,36,故障分析,緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承的分析不成立 現(xiàn)場檢查確認行星輪齒輪和外齒圈完好無異常; 解體檢查行星輪齒輪與外齒圈嚙合良好無卡澀; 運行中的緊急剎車并沒有引起行星輪和外齒圈斷齒損壞。 行星輪和外齒圈盤動靈活、完好無缺陷,說明緊急剎車造成行星輪齒輪和軸承損壞的分析不成立,37,故障分析,控制系統(tǒng)導(dǎo)致變槳機構(gòu)故障是造成該風力機組齒輪箱振動和軸承損壞的原因 由于控制系統(tǒng)的問題,導(dǎo)致變槳液壓缸頻繁動作造成齒輪箱振動和軸承損壞; 備用齒輪箱安裝后仍然有很大的振動,解體檢查變槳液壓缸及活塞、連接螺栓、變槳桿、變槳軸承、三腳架和防轉(zhuǎn)桿等均

14、未發(fā)現(xiàn)異常; 將液壓站比例閥和變槳液壓缸進行清理檢查,更換了新液壓油,未見任何異常; CCU X111(Encoder)端子排01端子接線松動,緊固后振動消失,設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn);,38,故障分析,Gamesa機組是變槳距、雙饋機組,其控制結(jié)構(gòu)如圖所示:,39,故障分析,變槳控制:,40,故障分析,速度控制:,41,故障分析,編碼器: OG 8 DN 2048 CI 輸出信號附加標志脈沖和反向信號; 每周輸出2048個脈沖;,42,故障分析,編碼器測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速,信號送到CCU X111端子排01端子,接線松動導(dǎo)致 PLC接收的發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號不穩(wěn)定,使PLC采集到的葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速有偏差;

15、PLC為了使轉(zhuǎn)速達到預(yù)先設(shè)定值,就會控制變槳驅(qū)動裝置不斷修正槳角變化,這樣就引起變槳液壓缸活塞前后油壓反復(fù)變化,促使活塞帶動變槳桿在缸體內(nèi)快速往復(fù)運動;,43,故障分析,變槳桿前端與輪轂內(nèi)的三腳架相連,當變槳桿快速運動時,以三腳架為固定支點推動液壓缸向前、后運動;液壓缸也相應(yīng)推動變槳桿向前、后運動,液壓缸的前后運動趨向帶動齒輪箱外殼前后軸向竄動,引起整個機艙振動并伴隨巨大的異音。,44,故障分析,了解到該機組此次修前液壓站比例閥更換過4個,變槳液壓缸也因為卡澀清洗過一次。說明頻繁的變槳使比例閥長期高負荷工作,損壞了內(nèi)部閥芯,更進一步說明齒輪箱故障不是短期形成的,而是較長一段時期間歇振動累積的結(jié)

16、果。,45,故障分析,端子接線松動分析: CCU X111(Encoder)端子排01端子接線在原齒輪箱振動發(fā)生時未檢查到,新齒輪箱振動發(fā)現(xiàn)松動緊固后故障消除。引起接線松動會有兩方面原因,一是該接線端子的塑料材質(zhì),會因為冬季運行熱脹冷縮的原因發(fā)生松動脫落的現(xiàn)象,這種故障在東北等地的風場出現(xiàn)過,但該風場多臺同型號風力機組均未發(fā)現(xiàn)由于熱脹冷縮導(dǎo)致端子線松動的現(xiàn)象,所以該風力機熱脹冷縮導(dǎo)致接線松動的可能性極??;二是CCU在現(xiàn)場檢修中互換的現(xiàn)象較為常見,可能在多次人為插拔中導(dǎo)致接線松動。,46,總結(jié),由于控制系統(tǒng)CCU X111(Encoder)端子排01端子接線松動,使PLC采集到葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)

17、速有偏差,PLC為了使轉(zhuǎn)速達到預(yù)先設(shè)定值,控制變槳機構(gòu)頻繁變槳、修正槳角達到設(shè)定的目標值,引起變槳液壓缸活塞前、后油壓反復(fù)變化,促使活塞帶動變槳桿在缸體內(nèi)快速往復(fù)運動,引起齒輪箱及整個機艙振動并伴隨巨大的異音。,47,總結(jié),低速軸前軸承座和齒輪箱為一個鑄造整體,軸承座和低速軸承外圈為過盈配合,劇烈的箱體竄動引起軸承損壞和軸承座磨損。軸承座內(nèi)徑磨損變大后軸承外圈隨軸轉(zhuǎn)動且損壞軸承。,48,總結(jié),通過解體檢查和論證分析,并結(jié)合新齒輪箱安裝后振動處理情況,確定控制系統(tǒng)接線松動使變槳液壓缸頻繁動作引起齒輪箱振動,并長期間歇振動累積造成齒輪箱軸承損壞和軸承座磨損,是一起比較典型的因控制系統(tǒng)問題導(dǎo)致機械設(shè)備故障的事例。,49,建 議,對風力機油溫頻繁升高到80度以上的齒輪箱報警要引起高度的重視,追查原因并采取措施,不能簡單采取復(fù)位程序,油溫下降后又啟動運行的方式處理問題,防止故障擴大成設(shè)備損壞事故。機組啟動時檢修人員手持振動檢測儀和聽音棒,對機組齒輪箱的振動及時檢查和記錄。 定期檢查齒輪油及液壓油,定期更換濾芯,確保油質(zhì)穩(wěn)定,定期對油進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)早期故障征兆; 比例閥的清洗要使用酒精沖洗,不應(yīng)該用煤油清洗; 對所有機組的接線端子進行緊固檢查,更換損壞的元器件;,

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