轨道交通齿轮箱状态监测与故障诊断技术
李顺建++唐伟
[摘 要]随着中国经济的发展，我国工业化进程中对能源的需求量逐步增多，风电作为一种重要的清洁能源，是未来重要的资源之一。然而，由于风力发电机组的齿轮箱极易出现故障，所以，在使用的基础上，通过对其进行必要的诊断分析，得出常见的故障原因。在日常的风力发电过程中，受风机运行条件限制，仅上下塔就需较多准备时间。所以，对此机组进行定期维护成为风电机组工作的重点。本文就状态监测技术的齿轮箱故障诊断进行分析。
[关键词]风力发电；齿轮箱；故障诊断；状态监测
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0349-01
1、风电齿轮箱结构分析
目前国际上采用的风力发电机组传动形式主要分为直驱型、齿轮箱增速传动型。增速齿轮箱作为风电机组中重要零部件之一，是风电供应链的关键一环，其精密度、可靠性及工作寿命直接影响风电机组的性能。风力发电机组一般安装在高原、寒冷、沙尘、腐蚀、海边等工作环境恶劣的地区，且运行工况较为复杂。国内外风电齿轮箱结构类型较多，主要是根据风电机组整机厂提供的要求进行设计，从而导致与其配套的风电齿轮箱产品种类、规格多，差异大，从而形成了技术路线的多样化。但总体方面，风电齿轮箱可分为平行级传动、行星级传动、行星级加平行级传动、复合行星轮系、功率分流等传动形式，均由箱体、齿轮、轴承等核心部件组成。
2、风电齿轮箱工作原理
风力发电机组中的齿轮箱是一个很重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的能量传递给发电机并使其得到相应的转速。风力发电机组一般安装在高原、寒冷、沙尘、腐蚀、海边等工作环境恶劣的地区，且运行工况较为复杂。通常风轮的转速很低，远达不到双馈发电机、高速永磁发电机所要求的并网转速，这时需通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现功率传递。齿轮箱输入端通过胀紧套装置或螺栓与主轴相连，输出端通过联轴器与发电机相连（或直接与发电机集成）。
3、状态监测技术
状态监测技术是在设备管理和维修的基础上发展起来的，主要通过对动设备振动参数、性能参数、工艺参数等数据进行采集、监测、分析，评估设备当前状态正常或异常与故障之间的关系，及时掌握设备实际运行状态，对设备存在的潜在故障及时预警以预测未来发展趋势。就其技术手段而言，已逐步形成包含振动监测、油样分析、温度监测和仿真建模等多参数为主的综合性分析监测技术。计算机硬件技术的发展以及软件技术的日新月异，极大地促进了信号分析与处理技术的提升，从而进一步推动了状态监测技术向着科学化和实用化的方向发展。总之，通过状态监测技术的实施，对关键设备如泵组、风机等潜在故障适时维护、维修，保证泵组和风机运行状态的稳定性与可靠性。
4、齿轮箱故障的诊断方法
4.1、观察法
风电齿轮箱故障诊断主要是根据齿轮箱内部结构外表进行分析，通过观察其正常运作以及发生故障时的尺寸大小、完好程度、凹凸状况等，对不同时期的照片进行观察，发现故障前和故障后的区别，从而找出故障原因，需要观察者具有较高的从业经验。微观分析主要是在宏观分析的前提下，通过精确测量齿轮箱零部件的形状和大小，对相应部件进行提取，移动到实验室中使用高倍显微镜等仪器对肉眼找到的细微痕迹进行放大观察，从而为未能通过宏观分析找出故障问题的类型提供参考依据。
4.2、资料分析法
科学的诊断方法离不开资料分析诊断，由于风电机组属于大型机械，要求作业人员对机组运行状态、保养等情况进行记录，以及理解风电机组的使用说明等，通过对齿轮箱各传感器的历史数据记录，如：轴承温度、润滑油压力等进行分析，从而可以有效地筛查重点，找到问题所在，还可以根据以往风电齿轮箱故障的原因进行类比分析。除此之外，我们还应保存好每一次的维修、保养记录，做好资料留存工作，以便下一次分析使用。
4.3、振动分析法
振动分析是对齿轮、轴承是否处于正常工作状态的一种建议分析，也可以对处于异常工作状态的齿轮、轴承进行精密诊断分析并采取其他措施。噪声诊断法、冲击脉冲（SPM）诊断法和振动诊断法等是常见的分析法。振动诊断法是利用齿轮的振动强度大小来判别齿轮的工作状态是否正常，振动诊断法根据判定指标和标准不同分为绝对值判定法和相对值判定法。
4.4、信号分析法
齿轮故障比较复杂，在实际工作中，通常是先利用风电机组自带的故障显示器的显示结果去判断齿轮箱的故障问题，有时候顯示仪上显示的结果就是故障结果。有时则需要采用其他的分析法进一步对故障进行识别取人，最终得出精密诊断结果。
5、存在的损伤
风场调整生产计划，停机对齿轮箱输出轴轴承损伤情况和齿轮啮合情况进行检查，发现以下几个方面的损伤：
5.1、输入轴轴承在冲击载荷作用下，工作表面的局部应力超过材料的疲劳极限，在轴承滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，发生冲击性塑性变形，如图所示：（见图1）
5.2、轴承工作不良，在强大的扭矩下，输入轴与轴承内圈产生相对滑动，发生高温烧伤轴颈的现象，如图所示：（见图2）
5.3、相互啮合的齿的顶部受到交变冲击载荷的作用，逐渐产生疲劳裂纹，裂纹又在啮合过程中不断扩展，齿面表层金属一小块一小块地剥落下来，最终形成坑蚀，如图所示。（见图3）
解体检查发现的设备损伤类型完全与故障诊断结论相一致，为了进一步验证状态监测技术在齿轮箱故障诊断方面的效果，我们对修复后的齿轮箱进行监测，发现检修后的齿轮箱振动速度值和加速度值均在正常范围内，而且趋势平稳。
总之，本文通过对状态监测历史数据的观察分析，及时发现齿轮箱存在严重的设备隐患，并及时进行检修，避免了恶性设备事故发生和全装置非计划的停工，实际解体和修复后的监测结果也证明状态监测技术能及时发现设备隐患，实现设备的预知性检修，提高设备管理水平。
参考文献
[1] 张帅.风电齿轮箱状态监测与故障诊断系统研究[D].浙江大学，2014.
[2] 梁锋.通用性齿轮箱状态监测与故障诊断系统的研究[D].重庆大学，2004.
[3] 黄锡泉.齿轮箱状态监测与故障诊断专家系统研究[D].中北大学，2006.endprint
