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1、毕业设计（论 文）2020 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刻：二O 三年六月学生姓名：XXX指导教师：XXX班 级：10风电（1）班目录一、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点与诊断策略 6（三）针对齿轮箱不同故障的改良方法 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:随着全世界经济的进展和人口的增加，人类正面临着能源利用和环境 爱惜两方面的压力，能源问题和环境污染日趋突出。风能作为一种蕴藏
2、量丰硕的自 然资源，因其利用便利、可再生、本钱低、无污染等特点，活着界范围内取得了较 为普遍的利用和迅速进展。风力发电己成为世界各国加倍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，而且会产生严峻的平安事故，造成庞大的经济损失。本论文先探讨了课题的实际意义和风力发电机常见的故障模式，在那个基础上 对齿轮箱故障这种常见故障做了详尽的论述，包括引发故障的缘故、如何识别和如 何改良设计。通过对常见故障的分析，给风力发电厂技术保护提供故障诊断帮忙， 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;
3、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减缓能源供给，改善能源结构、爱惜环境和电力工业的持续进展意义重 大。这些年来，风电机组在我国取得了普遍的安装利用。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轻忽的 问题。随着风电机组运行时刻的加长，目前这些机组陆续显现了故障（包括风轮叶片 变流器、齿轮箱、变桨轴承，发电机、和偏航系统等都有），致使机组停止运行。 当机组发生故障时，不仅会造成停电，而且会产生严峻的平安事故。风电机组的部 份部件一旦损坏，在风电场无法修复，必需运到专业厂家进行修理。因其维修费用 高、周期长、难度大，必
4、将给风电场造成庞大的经济损失，严峻阻碍了风电的经济 效益。风电机组的输出功率是波动的，可能阻碍电网的电能质量，如电压的误差、电 压的波动和闪变、谐波和周期电压脉动等。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、电动机转速不均和阻碍电子仪器、运算机、自动操纵 设备的正常工作状况等。风电机组的故障也会致使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致使电网电压的突降，而机端较多的电容补 偿高于脱网前风电场的运行电压，引发了电网电压的急剧下降，从而阻碍接在同一 个电网上的其它电气设备的正运
5、行，乃至会阻碍到整个电网的稳固与平安。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保护技术跟不上风力发电的进展速度，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， 带来严峻的经济损失。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 米的繁重碎片飞到 20 米远的田地里，造成了严峻的事故;海 参饲养池受到污染，造成海参大量死亡。风机保护要紧分为按期检修和日常排故保护两种方式。按期的保护保养能够让 设备维持最正确状态，并延长风机的利用寿命，是重要的保护方式。可是按
6、期维修 可能存在维修不足、维修多余的问题。日常排故保护是在风机显现故障时及时去现 场进行设备检修，为了幸免因故障造成意外停电，还要求保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愈来愈重 要了。风力发电系统要紧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 发电机两大部份组成，其中发电机是整个系统的核心，直接阻碍整个系统的性能、 效率和供电质量，同时也是系统中易发生故障的部份。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
7、，及时发觉系统的初期故障 并进行维修，提高风力发电机组运行的靠得住性，对保证风力发电机的正常平安运 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，其要紧功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电 机并使其取得相应的转速，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，必需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。齿轮箱系统一样包括齿轮、轴承、轴和箱体4部份。其零部件如齿轮、轴和轴承 的加工
8、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持续工作， 而其状态的好坏往往直接阻碍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。风电技术的快速进展和单机容量的增加，使得风力机的规模愈来愈大，对其性 能的要求也愈来愈高。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刻的20%是由齿轮箱故障引发的。一旦齿轮箱显现问 题，除高额的维修费用，长时刻停机造成的发电量损失也是庞大的。风力发电机组齿轮箱常见故障按发生部位分要紧有齿轮损伤，轴承损坏，断轴 等。齿轮损伤要紧包括：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿
9、面接触疲劳、弯曲疲劳与 断齿。轴承损坏要紧包括磨损失效、疲劳失效、侵蚀失效、断裂失效、压痕失效、 胶合失效。轴的故障要紧有轴弯曲，轴向窜动，轴不对中等。齿轮的磨损部位主若是齿的啮合和渐开线工作面和齿轮两头平面。磨损一样包 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必然的速度缓慢的 损耗，在齿轮的预期寿命内它对正常的利用将不阻碍。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。该种磨损必然产生破坏, 也会降低利 用寿命,并可能加大噪音。第三种那么是破坏性磨损，它是齿面的损伤、损坏或由于 磨损而造成齿廓的转变以至于达到超级严峻的程度, 显著的降低齿轮的寿命,平稳 性
10、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 发损坏。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 中或空气中的杂质和轮齿表面或轴承剥下的金属颗粒。依照不同的磨损机理，可将齿轮的磨损划分为四个大体类型：磨粒磨损、粘着 磨损、疲劳磨损和侵蚀磨损。磨粒磨损主若是梨沟和微观切削作用,粘着磨损与表面 分子作使劲和摩擦热紧密相关。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,而侵蚀磨损那么是由环境介质的化学作用产生。在实际的磨损现象中， 一般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
11、于齿轮过度减薄致使断齿。关于重载和高速传动的齿轮，齿面工作区温度很高，一旦显现润滑条件不良， 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利历时，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，致使接触齿面金属融焊而撕落 齿面上的金属的现象。关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阻碍乃至会消失，长时刻工作以后，一个 齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，如此就会在齿面上形成垂直于节线 的划痕状胶合。齿轮在实际啮合进程中，既有
12、相对转动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦 力在节点双侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面的 深处产生脉动循环转变的剪应力，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，最终致使齿面剥落细小金属片，在齿 面上形成小坑，称之为点蚀。当点蚀现象严峻时可连成片，形成齿面上金属块剥落 另外，材质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上第一显现接触疲劳，产生剥落。疲劳裂纹的产生是由于齿轮在实际啮合进程中，既有相对转动，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脉动循环转变 使齿轮表面层深处产生脉动循环转变，当这种剪应
13、力超过齿轮材料的疲劳极限时， 接触表面将产生裂纹。在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下，轮齿表面或其表层下面产生疲劳 裂纹并进一步扩展而造成的齿面损伤，其表现形式有破坏性点蚀、初期点蚀、齿面 剥落、和表面压碎等。专门是破坏性点蚀，常在齿轮啮合线部位显现，而且不断扩 展，使齿面严峻损伤，磨损也会加大，最终致使断齿失效。正确进行选择好材质， 齿轮强度设计，选择适合的精度配合，提高安装精度，保证热处置质量，改善润滑 条件等，是解决齿面疲劳的全然方法。在齿轮运行进程中，经受传动载荷的轮齿犹如悬臂梁，其根部受到脉冲循环的 弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会产生根部裂 纹，并
14、慢慢扩展，当剩余轮齿无法经受载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中 严峻的冲击、偏载和材质不均匀也可能会引发断齿。依照裂纹扩展的情形和断齿缘故。断齿包括过载折断（包括冲击折断）、疲劳 折断和随机断裂等，断齿常由细微裂纹慢慢扩展而成。疲劳折断发生从危险截面（如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮 齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。其全然缘故是轮齿在太高的 交变应力重复作用，在疲劳折断的处，是贝状纹扩展的起点并向外辐射。产生的缘 故有很多，主若是材料选用不妥、齿轮精度太低、热处置裂纹、磨削烧伤、齿根应 力集中等等。因此在设计时需要考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材 料
15、和齿轮精度，充分保证加工精度排除应力集中集中因素等等。过载折断老是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，致使裂纹迅速扩展， 常见的缘故有轴承损坏、突然冲击、超载轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。断齿断 口有两种形式，一种呈放射状花腔的裂纹扩展区，一种是断口处有平整的塑性变形 断口副能够拼合。认真检查可看到齿面精度太差，材质的缺点，轮齿根部未作精细 处置等。在设计中应采取必要的方法，充分考虑预防过载因素。安装时避免箱体变 形，避免硬质异物进入箱体内等等。断轴也是齿轮箱常见的重大故障之一。究其缘故是在过载或交变应力的作用下 超出了材料的疲劳极限所致。因此对轴上易产生的应力集中因素要给予高度重视， 专门
16、是在不同轴径过渡区要有圆滑的圆弧连接，此处不许诺有切削刀具刃尖的痕迹 光洁度要求较高，轴的强度应足够，轴上的键槽、花键等结构也不能过度降低轴的 强度。保证相关零件的刚度，避免轴变形，能够提高轴的靠得住性。轴承在运转进 程中，由于安装、润滑、保护等方面的缘故，套圈与转动体表面之间经受交变负荷 的反复作用，而产生裂纹、点蚀、表面剥落等缺点，使轴承失效，从而使齿轮副和 箱体产生损坏。风力发电厂一样处在远离居民住宅的偏僻地域，且风力发电机无外在爱惜设施 这种特殊的环境对齿轮箱的正常运行具有不良的阻碍，下面要紧从风场气流和温度 这两个方面分析环境对故障产生的阻碍。风场气流的阻碍：风场气流的不稳固性使得风力发电机组齿轮箱长期处于复杂 的交变载荷下工作，由于风速和风向随机转变，致使齿轮箱载荷也随之波动。关于 齿轮的啮合表面和轴承的转动表面，这种交变应力的作
