风力发电机常见故障及其分析.doc

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1、题 目 风力发电机常见故障及其分析 内 容 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

2、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Common Faults And Their Analysis Of The Wind Turbine Abstract With the global economic development and population growth, humanity is facing with the pressure from two sides of the energy use and environmental pro

3、tection, the energy problem and environmental pollution has become an increasingly prominent issue. Wind power as a abundant reserves of natural resources, because of its convenient use, renewable, low cost, no pollution, has been more widely used and rapid development in the world. Wind power has b

4、een taken as one of the priority development energy sources in the worldThe increase of wind power capacity and complicated system structure will not only cause power outage，but also raise serious accidents when the set is at faultIn the beginning, the dissertation introduces the practical significa

5、nce of project and the common failure mode of wind turbines, then researches and describes the failure of gearbox in detail, including the cause of failure, how to identify and how to improve the design. Based on the analysis of common failures, not only provide assistance for fault diagnosis to the

6、 technical maintenance of wind power plants, but also provide a theoretical basis to the wind power equipment manufacturing and installation departments.Key Words Wind Turbines; Failure Mode; Gear Box; Fault Diagnosis目 录第一章 绪论11.1 风力发电的背景11.2 风力发电机故障诊断的意义2第二章 风力发电机常见故障模式及机理分析52.1 风力发电机结构52.2 常见故障模式及

7、机理分析72.2.1 叶片故障及机理72.2.2 变流器故障及机理82.2.3 发电机故障及机理102.2.4 变桨轴承故障及机理132.2.5 偏航系统故障及机理162.3 本章小结21第三章 风力发电机齿轮箱故障诊断223.1 风力发电机齿轮箱常见故障模式及机理分析223.2 齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略283.3 针对齿轮箱不同故障的改进措施32第四章 结论36致 谢37参考文献38风力发电机常见故障及其分析第一章 绪论1.1 风力发电的背景随着全球人口数量的上升和经济规模的不断增长，世界范围内对能源需求持续增加，化石能源、生物能源等常规能源使用带来的环境问题日益突出。在此背景下，低

8、碳经济即以低能耗、低污染、低排放为基础的能源经济发展模式应运而生。风力发电作为清洁能源的一种，是适应当前经济下国际能源发展的新型发电技术，有着得天独厚的优势：风能分布广泛，蕴藏量巨大，是一种可再生资源，有利于可持续发展；风力发电无温室气体排放，清洁无污染，完全符合低碳经济低能耗、低污染、低排放的要求；风力发电施工周期短，占地少。风能作为一种清洁的可再生能源，蕴量巨大，全球的风能约为2.7410MW，其中可利用的风能为210MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2

9、007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年是16万兆瓦。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。在“九五”期间，我国风力发电场的建设开始了快速发展。2001年底，我国已在新疆、内蒙古、辽宁、吉林、广东、福建、浙江、甘肃、河北、山东、海南等11个省区建立了27座风电场，总装机容量达40万KW，风电发电量占全国总发电量的0.1。过去十年来，风力发电以年均55的高速增长，按国家制定的“十一五”规划，2010年整机装机容量达到1000万KW，国产化率将达到7585。风力发

10、电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力、物力、财力来发展风力发电技术。根据国际新能源网的有关资料显示，迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。目前，风电发展正在不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持着世界增长最快能源的地位。1.2 风力发电机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

11、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

12、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

13、)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

14、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。第二章 风力发电机常见故障模式及机理分析2.1 风力发电机结构

15、风力发电机由风轮及变桨距系统、轮毂、结构(机舱、地基和塔架)、传动装置、齿轮箱、发电机、电气系统、控制系统、传感器、刹车系统、液压系统和偏航系统等构成。风电机组首先将风能通过风轮转换成机械能，再借助主轴、齿轮箱等传动系统和发电机将机械能转换成电能，从而实现风力发电。风力发电机结构图如下图2.1所示：图2.1 风力发电机结构图其主要部件的功能如下：塔架：风力发电机塔架是支撑机舱和风轮的部件，它将风轮支撑到能较好的捕捉风能的高度。风轮：主要由叶片、轮毂组成。风轮一般由3个叶片组成，因为它运行平稳，能输出稳定的转矩。轮毂是用来连接叶片与轮毂的固定部件，它将来自叶片的载荷传递到风轮的支撑结构上。风轮的

16、作用是获取风能，并将风能转变成机械能，再由与风轮相连的低速轴将动力输出到传动系统。传动机构：主要包括低速轴(主轴)、齿轮箱、高速轴和刹车装置。齿轮箱用来提高转速和传递动力。风力发电机齿轮箱大致可分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。实际应用的风力发电机齿轮系统中，最常见的形式是一个行星齿轮系加上一个或多个平行轮系构成的。发电机：发电机是风力发电系统的做功装置。它的作用是将机械能转换成电能。风电系统常用两种三相发电机：一种是异步发电机，另一种是同步发电机。通过变频器，可以使发电机产生的电流与电网上的电流相适应。偏航机构：主要由风向标和旋转马达组成，其作用是保证在风向改变的情况下，使风轮始终与

17、风向保持垂直。目前大多数大型水平轴风力发电机采用主动偏航来对风，经风向标测定风向后，通过控制旋转马达实现调向。控制柜：作用是对风力发电机的工作情况进行控制，保证风力发电机的正常运行。机舱：机舱包容并保护着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机和控制器等。维护人员可以通过风力发电机机塔进入机舱，进行维护工作。液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷去热发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。2.2 常见故障模式及机理分析2.2.1 叶片故障及机理风力发电机组通过叶片将空气的动能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能，风轮及叶片在能量转化中担

18、任着重要角色。叶片从叶尖到叶根，厚度和弦长都逐渐增加，这是由于叶片尖部的旋转速度高、扫掠面积大，其气动性能对风机性能具有决定性影响，因此使用空气动力特性较好的薄翼型。而叶片根部的载荷较大，因此使用结构性能较好的厚翼型，叶根则呈圆柱形状，方便叶根与轮毂的连接。在结构上，叶片可以分成三个组成部分：大梁承载结构、蒙皮气动结构和叶根连接结构。大梁由梁帽和剪切腹板组成，梁帽由拉压强度很高的单向纤维复合材料制造，腹板是多向纤维复合材料和泡沫制成的夹层结构，大梁承受了叶片的绝大部分载荷；蒙皮与剪切腹板结构相同，用于构成叶片的气动外形；叶根由多向纤维复合材料制造，将大梁上的载荷均匀分散传递给叶根连接螺栓。风力

19、发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变。当阵风袭来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，使风力机在运行过程中出现各种故障。尤其是风轮以及与其刚性连接的主轴、齿轮箱、发电机等在交变载荷的作用下很容易出现故障，造成机组停机。叶片常见的故障模式有叶片断裂、偏移、弯曲、和疲劳失效等。叶片是风力发电机组中受力最复杂的部件。它在不停地旋转, 各种激振力几乎都是通过叶片传递出去的。无论是地球附面层形成的风的不均匀流,还是重力和阵风等影响因素, 都是作用在叶片上。现实中，风力发电所处环境比较恶劣，风

20、车叶片不能精确地对准风向而存在偏斜，风速在风轮扫掠面上的不均匀，风速的瞬时变化，造成风机叶桨的振动、偏移、弯曲等不正常运行的状态。当风速增大、风速减小、风速不均时都会造成叶桨的振动。由于叶片较长，刚性较差，旋转过程中自身不规则的振动或强风冲击可能引起叶片断裂。大型的风力发电机都在露天工作，长期旋转后，叶片表面因积灰、粘有昆虫尸体或结冰而起叶片受力不均，导致叶片整体重心偏移，同时叶片长时间受到交变载荷作用，导致工作条件恶化，引起疲劳失效。2.2.2 变流器故障及机理目前各大风电场的主力机型大体有3类：鼠笼式风力发电机、直驱式风力发电机和双馈感应式风力发电机。其中除鼠笼式以外，其余两种形式的风力发

21、电机并网时都不可避免地要经过一个电力电子变流器，只不过由于风力发电机结构不同，同样额定功率的机组中，流过双馈式风机变流器的能量大约只占直驱式风力发电机的1/3。目前国内实现国产化的大型变速风力发电机组采用的发电机主要为双馈发电机，机组的正常并网发电须采用两个变流器。变速恒频双馈风力发电机主电路图如下图2.2所示：图2.2 双馈风力发电机主电路图风力发电并网变流器是一种运用现代高科技技术，集成现代控制理论、微电子技术及现代电力电子变换技术等交叉学科的高新技术产品，是把风能转化为电能并入电网的纽带，既能对电网输送风力发电的有功分量，又能连结、调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用。风力发电机发的是

22、直流电要用蓄电池将风力发电机的电存起来。但我们用的电器大多用交流电，所以要用变流器将直流电变为交流电，变器就是一个逆变器。变流器常见故障模式有：变流器误动作，与预期效果误差大、过电压、过电流、过热及欠电压等。过电压和过电流可能导致开关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。变流器所处现场往往环境恶劣，高温发热、油水脏污、灰尘以及交变的电磁干扰等都无法估计，既影响变流器性能，也极易导致变流器故障。目前风力发电机中电力电子开关大量使用了绝缘栅双极晶体管，当其两端电压过高或过电流导致温度过高，亦或其运行功率超过了在正常工作温度下允许的最大耗散功率（最大集电极功耗）等，都可能导致开关管超过耐

23、受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。导致变流器中开关管过电压和过电流的原因是多方面的，常见的有变流器本身的质量问题、元件接触不良以及型号参数不匹配等。此外，风力发电机在运行过程中遭遇电网故障，功率无法馈送入电网，导致功率直流侧和输出侧电压升高，发电机在运行过程中由于负载突变产生过高的冲击电流，发电机及传输电缆绝缘老化导致匝间或相间短路形成短路电流等，如最终超过元件的耐受限度，都会导致变流器元件故障。2.2.3 发电机故障及机理发电机是风电机组的核心部件，负责将旋转的机械能转化为电能，并为电气系统供电。随着风力机容量的增大，发电机的规模也在逐渐增加，使得对发电机的密封保护受到制约。发电机长

24、期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。发电机常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转子/定子线圈短路、转子断条以及绝缘损坏等。风力发电机组振动的大小直接关系到机组能否安全运行，而对于发电厂来说安全就是最大的经济效益。引起机组振动过大或者不正常的原因有很多，既有设计制造方面的原因，也有运行方面的方面的原因，还有安装和检修等方面的原因。风力发电机转子是一个高速旋转机械，如果转子的质心与旋转中心不重合，则会因为转子的不平衡而产生一个离心力，这个离心力对轴承产生一个激振力使之引起机组振动，如果这个离心力过大，则机组的振动就会异常。所以，风力发电机转子在装配时每装配一级叶片都应该对该

25、级叶片进行动平衡试验，整个转子装配完成后在出厂之前还应该对整个转子进行低速和高速动平衡，以确保转子的不平衡量在一个合格的范围内。在制造厂家，转子不平衡量较大的原因主要由是机械加工精度不够和装配质量较差引起，所以必须提高加工精度，同时保证装配质量，从而才能保证转子的原始不平衡量不致于太大。另外，如果机组的设计不当也会引起机组的振动。例如，在设计阶段轴承的选用是非常重要的，如果轴承选取不当，则会因为轴承稳定性太差而转子极小的不平衡量也可能引起机组较大的振动，或者油膜形成不好而极易诱发油膜振荡。电机运行中叶片折断、脱落或不均匀磨损、腐蚀、结垢，使转子发生质量不平衡。发电机转子绕组松动或不平衡等，均会

26、使转子发生质量不平衡。这样，转子每转一转，就要受到一次不平衡质量所产生的离心力的冲击，这种离心力周期作用的结果，就发生振动。转子发生弯曲，即使不引起发电机动静部件之间的摩擦，也会引起振动，其振动特性和由于转子质量不平衡振动的情况相似，不同之处是这种振动显著地表现为轴向振动。尤其当通过临界转速时，其轴向振幅增大得更为显著。如发电机转子和静子之间的空气隙不均匀、发电机转子绕组短路等，均会引起机组振动。对转动机械来说，微小的振动是不可避免的，振动幅度不超过规定标准的属正常振动。这里所说的振动，系指机组转动中振幅比原有水平增大，特别是增大到超过允许标准的振动，也就是异常振动。任何一种异常振动都潜伏着设

27、备损坏的危险。比如轴系质量失去平衡（掉叶片、大轴弯曲、轴系中心变化、发电机转子内冷水路局部堵塞等）、动静磨擦、膨胀受阻、轴承磨损或轴承座松动，以及电磁力不平衡等等都会表面在振动增大，甚至强烈振动。而强烈振又会导致机组其他零部件松动甚至损坏，加剧动静部分摩擦，形成恶性循环，加剧设备损坏程度。因此，新安装或检修后的机组，必须经过试运行，测试各轴承振动及各轴承处轴振在合格标准以下，方可将机组投入运行。风力发电机运行中发生振动，不仅会影响机组的经济性，而且会直接威胁机组的安全运行。因此，在发电机运行中，对轴承和大轴的振动必须严格进行监视。如振动超过允许值，应及时采取相应措施，以免造成事故。由于风力发电

28、机不停的工作，也会出现发电机过热的故障现象：发电机运转时机壳温度很高，超过60摄氏度，触摸有烫手感觉。引起发电机过热故障原因有：轴承缺油或间隙太小，造成轴承剧烈摩擦产生过热现象。轴承严重偏磨或损坏，以及转子轴弯曲或磁片安装有误差，引起转子磁极与定子铁芯发生碰擦，即扫膛。定子线圈匝间短路、开路，或接线错误，使发电机内部产生短路电流。发电机超负荷作业。为了防止发电机过热，必须采取一定的措施：定期保养发电机，发现缺油及时添加复合钙基润滑脂，一般充满轴承腔三分之二即可。检查轴是否弯曲，轴承是否偏磨，必要时更换轴承，校正转子轴、铁芯等。用万用表法或试灯法检查定子线圈是否短路或开路，如是，应重新绕制定子线

29、圈。检查负荷是否与发电机匹配，如不匹配，应更换。2.2.4 变桨轴承故障及机理风能是一种绿色的可再生能源, 风力发电也在迅猛发展。但是风速的变化是随机的, 从空气动力学角度考虑，当风速过高或过低时, 只有通过调整桨叶节距, 改变气流对叶片攻角, 从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩, 才能使功率输出保持稳定。同时, 风力机在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转距。变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。风机的叶片通过变桨轴承与轮毂相连，

30、每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置。目前变桨系统有液压驱动变桨系统和电动变桨系统2种类型。近来, 电动变桨距系统已越来越多地应用于风力发电机组。电动变桨距系统的3个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统, 其机械部分包括回转支承、减速机和传动装置等。减速机固定在轮毂上, 回转支承的

31、内环安装在叶片上, 叶片轴承的外环固定在轮毂上。当变桨距系统通电以后, 电机带动减速机的输出轴小齿轮旋转,而且小齿轮与回转支承的内环啮合,从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转, 实现了改变桨距角的目的。电动变桨机构传动图如下图2.3所示：图2.3 电动变桨机构传动图叶片由变桨电机带动轴承旋转调整叶片的受风角度。3个叶片分别由3台独立的电机带动叶片转动, 它们接受的是同一个旋转信号, 因此3个叶片的旋转是同步的，使3个叶片保持相同的受风角度。变桨电机在接受调整信号后通过变桨齿轮箱减速, 通过齿轮传动带动变桨轴承转过一个角度, 调整叶片的受风角度。电动变桨风力发电机,在运行过程中主要存在的问题是3

32、个叶片在变桨电机的带动下变换叶片的角度,出现变桨不同步的现象,也就是同时给变桨电机输送变桨信号后,由于变桨轴承发生了故障,只有2个叶片发生了变桨,另外一个没有动,或者3个叶片都不发生动作。使风机的效率大大降低,输出的功率达不到要求,甚至停机。电动变桨轴承是在不同于一般的条件下工作的。轴承的内外圈不相对旋转,而是在很小的角度范围内摆动,因此它的滚珠不是沿整个滚道滚动,而只移动很小的距离,事实上是在摇动,也就是说永远是同一部分的滚珠受载荷的作用。轴承发生故障原因: 轴承润滑不好造成的磨损，螺栓松动引起轴承移位，安装不当引起轴承变形。(1)轴承润滑不好造成的磨损 做摆动的轴承与单向旋转的轴承不同,如

33、果没有很好的润滑,那么在短时间工作之后轴承就会磨损及损伤.滚道磨损及滚珠损伤将使摩擦力矩增加。在摆动的振幅相当大的情况下,轴承圈将受到2种载荷的作用, 如下图2.4(a)所示。轴承圈上未被润滑部分边缘一段处在与连续旋转的轴承相似工作滚珠改变运动方向后经过的区域,在被润滑之前将出现压力峰, 该压力峰的压力比连续旋转时所产生的压力大1倍。当轴承以很小的摆动振幅工作时,如下图2.4(b)所示。这时相离最远的两接触面也部分地相互重叠,轴承的工作条件将变得极端不好。图2.4 滚珠及润滑剂运动图(a) 大振幅摆动时轴承圈载荷图 (b) 小振幅摆动时轴承全载荷图因为润滑剂不可能流入重叠的接触面,因此该区域内

34、的压力峰将变得非常大,以至于立刻就会产生了永久变形。在此情况下金属表面由于猛烈挤压,可能发生分子溶接现象接触部分烧化,滚道上留下凹坑。轴承磨损逐渐加大,由于轴承圈金属被氧化及部分润滑剂变成酸而生成氧化物的侵蚀作用,轴承将更快损坏,导致轴承变形卡死。(2)螺栓松动引起轴承移位 风力发电机在运行过程中叶片所受到的气动力是变化的,风速不仅大小变化而且方向也会变化,从而产生陀螺力矩,它作用在叶片上是一种变化的惯性载荷,这个载荷对转动的叶片是变化的,也是激振源。这个振源使叶片产生振动,叶片是用螺栓固定在变桨轴承的内圈上。叶片的振动使固定螺栓产生松动,叶片的受力不再均匀,从而引起轴承在受载时内外圈相对错位

35、,使接触角发生变化,造成滚动体载荷不均匀或滚动体与滚道产生边缘力,从而引起滚动体卡死在滚道上。(3)安装不当引起轴承变形 变桨轴承是安装在支承基座上,保证轴承有足够的刚度和应力的均匀分布。回转支承安装不好,轴承运行时产生工作变形。支承的形状偏差导致滚道变形,滚动体在滚道中卡死,引起停机或锁死。2.2.5 偏航系统故障及机理偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。风力发电机组的偏航系

36、统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种；主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。在风力发电机中，机械部件比电气部件更容易坏，而机械部件中，偏航系统部件又是机械中经常出现故障的重点问题。常用的1.5兆瓦风机的偏航系统包括：偏航电机、偏航减速器、机舱位置传感器、偏航加脂器、毛毡齿润滑器、偏航轴承、偏航刹车闸、偏航刹车盘。偏航轴承采用四点接触球转盘轴承结构。偏航电机是多极电机，电压等级为400V

37、，内部绕组接线为星形。电机的轴末端装有一个电磁刹车装置，用于在偏航停止时使电机锁定，从而将偏航传动锁定。附加的电磁刹车手动释放装置，在需要时可将手柄抬起刹车释放。偏航刹车闸为液压盘式，由液压系统提供约140160bar的压力，使刹车片紧压在刹车盘上，提供足够的制动力。偏航时，液压释放但保持24bar的余压，这样一来，偏航过程中始终保持一定的阻尼力矩，大大减少风机在偏航过程中的冲击载荷。偏航刹车盘是一个固定在偏航轴承上的圆环。偏航减速器为一个行星传动的齿轮箱，将偏航电机发出的高转速低扭矩动能转化成低转速高扭矩动能。机舱位置传感器内是一个10千欧姆的环形电阻，风机通过电阻的变化，确定风机的偏航角度

38、并通过其电阻的变化计算偏航的速度。偏航加脂器负责给偏航轴承的润滑加脂的工作。毛毡齿润滑器负责给偏航齿的润滑。偏航驱动机构示意图如下图2.5所示：图2.5 偏航驱动机构示意图偏航电机根据风向标的指示，通过PLC的过滤和控制来使电机同时动作，从而带动与其锥型连接的偏航齿头，偏航齿头再带动一个三级齿盘传动动力，然后，最后一级齿盘将动力传给上塔筒法兰盘上的偏航系统大齿轮，从而带动整个机舱进行偏航定向。当60秒平均风向角度持续20秒小于155度时，风机向左偏航对风；当60秒平均风向角度持续3.5分钟小于171度时，风机向左偏航对风，当30秒平均风向角度持续3秒大于175时，风机停止向左偏航。当60秒平均

39、风向角度持续20秒大于205度时，风机向右偏航对风；当60秒平均风向角度持续3.5分钟大于189度时，风机向左偏航对风，当30秒平均风向角度持续3秒小于185时，风机停止向右偏航。偏航系统工作原理为：通过风传感器将风向的变化传递到偏航电机控制回路的处理器里，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。为减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风。当对风结束后，风传感器失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。偏航系统的原理框图如下图2.6所示：图2.6 偏航系统的原理框图风力发电机偏航系统常见故障模式有：偏航位置故障、右偏航反

40、馈丢失、偏航位置传感器故障、左偏航反馈丢失和偏航速度故障（偏航过载）。偏航电机经常因为过载或者轴头轴承损坏而引起偏航故障。偏航减速器的齿头因为固定螺栓等级不够，经过过多的振动，引起螺栓松动，最后损害偏航齿头内部齿轮。由于偏航减速器内部齿轮质量不高，热处理不到位，引起内部齿轮经常备上级齿轮打坏。偏航系统大齿轮是由五块弧型齿条构成，这样，在两个齿条连接处，其连接如果不紧凑，焊接质量不高的情况下，连接处的齿轮容易被打掉。偏航减速器里面充满了润滑油，但经过长时间的运转，其油性都已经有了变化，如果没有得到及时的处理，也会造成偏航系统问题。这都是偏航系统中最容易出现的问题，而且，在更换这些部件时，都是相当

41、不容易更换的。一个是因为每个部件的自身重量都很重，另一个是因为更换这些部件时，空间都很狭小，没有足够下手工作的空间。所以，对这些部件我们应该给予重视。偏航电机的选择不当就会造成偏航系统故障。如果选用功率不变，增大其启动扭力，电机带动齿头时更容易。偏航电机的损坏，一般内部线圈烧坏的情况比较少，大都是因为启动扭力太大，长时间运转，造成轴头轴承磨损或者损坏，从而使电机不能旋转，导致电机烧坏。不能使用等级不够的螺栓来连接电机和齿头，因为不够等级的螺栓会造成电机和齿头的直接损坏。风电设备一般都是大批量的生产，由于生产厂家急于供货，一些风机上的零部件并没有达到真正的合格标准。而且，出厂后没有一定的技术监督

42、部门进行验收，导致偏航系统中的齿轮存在一定的缺陷，此点相对于其它问题有一定的解决难度。风机的使用寿命是20年，但偏航大齿轮由于长时间的累计工作，必然磨损越来越严重，有可能在风机使用寿命期限内造成断齿等问题。如果厂家没有严格控制其质量，用户又没有做好定期维护和检查，那么不仅损坏的是大齿轮，有可能整个减速器和偏航电机都会损坏，造成巨大的损失。偏航减速器是由一些传动齿轮构成，里面充满了润滑油。这些油经过偏航齿轮长时间的运转，使油本身的质量和性质发生了变化，所以，无论从其润滑性讲还是从缺油情况来讲，都对偏航系统有着一定的影响。偏航系统故障的解决，也正是解决了风力发电机中机械部分的难点，对风力发电事业，

43、有着更进一步的推动和促进作用。2.3 本章小结本章介绍了风力发电机的主要结构，并对各部件的功能做了简要的介绍。在此基础上对风力发电机常见的各种故障进行了分析，包括故障产生原因和故障产生机理。风力发电机常见的故障包括：叶片故障、变流器故障、发电机故障、变桨轴承故障、偏航系统故障和齿轮箱故障等，在本章中主要分析了前五种常见故障，齿轮箱故障将在下一章详细分析。通过对常见故障的分析，对及早发现系统故障、提高机组运行的可靠性具有重大的实际意义。第三章 风力发电机齿轮箱故障诊断3.1 风力发电机齿轮箱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

44、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

45、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

46、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

47、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，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。轮齿磨损使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。(2)胶合和擦伤对于重载和高速传动的齿轮，齿面工作区温度很高，一旦出现润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，

48、导致接触齿面金属融焊而撕落齿面上的金属的现象。对于重载和高速齿轮的传动，一旦润滑条件不良，由于齿面工作区温度很高，齿面间的油膜就会受到影响甚至会消失，长时间工作之后，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，这样就会在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。(3)接触疲劳与点蚀齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面的深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，在接触表面会产生疲劳裂纹，并随着裂纹的扩展，最终导致齿面剥落细小金属片，在齿面上形成小坑，称之为点蚀。当点蚀现象严重时可连成片，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。疲劳裂纹的产生是由于齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，从而产生脉动载荷，进而产生剪应力，这种力使齿轮表面层深处产生