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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(fēng)電機組 水平軸 三葉片 上風(fēng)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(fēng)速；,7,振動監(jiān)測分析,記錄機組實時輸出功率與實時風(fēng)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(zhǔn)確性，記錄功率和風(fēng)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(rèn)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(fēng)力機組處于低負(fù)載運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化快，認(rèn)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(yán)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(dāng)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(biāo)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(dāng)、裝配工藝差等制造裝配問題；另一方面風(fēng)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(biāo)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)；,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(biāo)增大2.3mm； 低速輸入軸軸承磨損； 潤滑油顆粒度超標(biāo)；,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(biāo),28,檢查結(jié)果,檢查結(jié)果：軸承S值超標(biāo),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(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)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(fēng)速下PITCH AND BRAKE測試中設(shè)定變槳值為30和轉(zhuǎn)速達(dá)到570rpm時風(fēng)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(rèn)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(rèn)主軸箱安裝間隙無變化，地腳螺栓緊力符合要求，安裝標(biāo)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(rèn)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(fēng)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(biāo)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(dá)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(dāng)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(fù)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(fēng)場出現(xiàn)過，但該風(fēng)場多臺同型號風(fēng)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(fēng)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(dá)到預(yù)先設(shè)定值，控制變槳機構(gòu)頻繁變槳、修正槳角達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)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(fēng)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；,
風(fēng)電機組齒輪箱故障分析報告
