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深度分析 | 风电机组主传动链部件失效原因

北极星风力发电网  来源:风能委员会  作者:姚小芹  2018/2/7 9:56:31  我要投稿  

北极星风力发电网讯:近年来国内外的风力发电机组滚动轴承失效的案例不断出现,2016年欧洲某知名风力发电机制造厂就因其多台直驱机组的主轴滚动轴承失效赔付业主6.2亿欧元。据笔者近两年来的统计,国内多家风力发电机组制造厂就有一千多台直驱机组的主轴滚动轴承失效;双馈机组也有几千台的各种滚动轴承或轮齿失效。 前不久调查到福建浦田某风电场的20台国外某知名品牌的风力机在2015到2016年就更换了6台增速齿轮箱,其余的在2017年进行了更换。不久前瓜州某60万千瓦风电场也更换了17台风电机组的增速齿轮箱。2017年上半年笔者去张家口几个风电场调研,路过河北丰宁,调查到丰宁某风电场的风力机上的增速齿轮箱均出了故障。以上问题在当年大规模引进风力机技术时就已引进来了,只是我们没有全部消化和识别。

回顾12年前《行星齿轮传动失效研讨》一文,介绍过德国某风电齿轮箱制造厂从2001年到2004年其供应全世界风电增速齿轮箱之中有4500多台出了故障,造成当时欧洲九个风力发电机组制造厂破产,也连累到在中国的几百台风力发电机组(后来是国内C齿轮箱制造厂对该批增速齿轮箱作了更换)。按当时欧洲某知名保险公司的统计,在那4500多台故障的风电齿轮箱中表现在轴承上的占30%(约1350台)、表现在轮齿上的占39%(约1755台)、表现在风电齿轮箱轴、泵、联轴器、箱体、密封件等其它方面的占31%。自那以后世界各风电齿轮箱制造厂和轴承制造厂都从优化齿轮箱或轴承结构设计、制造工艺、制造精度、制造材料、表面处理、润滑方式、润滑材料、优化滚动轴承轴向载荷、优化滚动轴承径向间隙、优化滚子接触角、优化滚子的波纹度、优化滚动轴承滚子修形、优化齿轮齿修形、优化行星传动结构、优化均载系数、安装工艺、试验验证等方面都做了大量的改进。

那些通常适用于恒速运行的船用齿轮箱或其他工业用齿轮箱行之有效的措施,用在风力机或风电齿轮箱上却只能治标、不能治本。都未能达到预想的效果,只要风力机运行到一定时段,风力机的主滚动轴承、风电齿轮箱的滚动轴承和轮齿照样出现故障,而故障频率和故障面是不断地加剧。这引发我们的深思!只有找到导致出现这些故障的真正原因才能根治或减少这些故障的出现。

首先笔者认为:其根源在于风力机所接受的能量——风,具有的随机性、波动性以及间歇性。

风力机传动轴系-主轴—滚动轴承-齿轮-发电机转子系统就是工作在风的随机性、风的波动性以及风的间歇性的工况频繁突变的典型代表。因此该系统在运行时,要频繁经历启动、停机、工况变化、转速变化和负荷变化等瞬态过程。

主传动链故障首要原因——低频扭转振动

笔者曾凭多年从事扭转振动的预防、测试等研究经验的积累,从理论上认为造成风力机主传动链部件各种故障的第一个原因是:低频扭转振动。例如造成滚动轴承跑圈或轮齿损坏的重要原因之一就是风力机设计阶段没有意识到风力机主传动链存在低频扭转振动。

风力发电机组是以风为能源的动力机械,不单是有没有低频扭转振动的问题,而在于“低频扭转振动严重不严重”的问题。可惜,这一概念到今天为止所引进的国外技术资料都未曾提到,在风能界也还不习惯。

在国外某风力机制造公司于2011年也发现此问题,并和另一家公司以及国外某知名大学共同研究风力发电机组主传动轴系低频扭转振动。他们于2012年得出理论结论,2013—2014年以其样机作试验、验证,从2015年起该国外某知名风力机制造公司就在其新制的机型上都装用不同型号、低频、非线性扭转振动减振阻尼装置。这也证实了笔者的观点。

除了由于动力机械不均匀输出功率会造成扭转振动以外,不均匀吸收扭矩的工作机械,也会出现扭转振动。

风力机的低频扭转振动情况与风的时变性使风力机叶轮的不均匀吸收和输出功率的情况有关,在系统的振动特性不变时,当吸收和输出功率的波动越大,扭转振动的振幅也越大。

所有的工业机械,都发生过由于扭转振动而造成的事故。

如果系统存在低频扭转振动,风力机传动轴系统就会产生由低频扭转振动而引起的低频扭转振动应力,这应力是风力机装置本身所应承受的应力之外的低频扭转振动附加应力,这样就加重了风力机主传动链部件的负荷,当应力超过允许限度,就会使风力机轴系主传动链部件产生疲劳损坏。

当风力机的轴系产生低频扭转振动时,有以下几种现象:

1.轴系主轴发生扭转性的疲劳断裂;

2.轴系中的连接部件,如轴系的连接螺栓等等发生损坏,以致断裂;

3.轴系中各附件如油泵等的连接轴产生多发性的扭转疲劳断裂;

4.叶轮的轮毂和主轴的连接螺纹紧固件等发生磨损、磨松或断裂;

5.轴系中局部轴发生过热现象;

6.引起增速齿轮箱传动齿轮的脱开-冲击或齿轮传动部位发生点蚀、噪声以致齿牙折断;

7.引起各滚动轴承滚柱、滚珠与保持架脱开、冲击以致损坏;

8.使轴系中的各种过盈配合或红套部位发生严重松动(如过盈配合或红套的轴承的内外圈松动至跑圈)、错位现象;

9.机组产生纵向和横向振动;

10.机组的发电机装置发生严重的运转不平稳,导致电压脉动,影响电气设备工作不正常。

以上各种由于扭转振动引起的事故,根据低频扭转振动的强烈程度,有时仅出现一种,有时同时出现多种。

一、把风力机简化为双质量系统

风力机传动装置的双质量系统简图中风轮部分的当量惯量为I1、发电机(或+齿轮箱部分)的转动惯量为I2,它们之间的刚度为K1,2。

在某风速下在风轮部分作用一当量的激励扭矩的低频扭转振动特性是:

风轮I1 发电机(或+齿轮箱)I2

简化风力机主传动装置的双质量系统当量图

风力机传动装置的双质量系统中,两个质量的振幅成反向,即a2=(-I1/I2)×a1,两振幅之比与两惯量之值成反比。只要大惯量风轮有微小的振幅,后面小惯量的主轴承、齿轮、齿轮箱轴承、发电机转子、发电机轴承的振幅就会被放大——相当于一个动力放大器。

风力机传动装置之所以会产生低频扭转振动,其根本原因在于风力机传动装置的轴系是低转速,不但具有转动惯量特性,而且还具有扭转的弹性特性,这种惯量与弹性的适当组合使得轴系具有固有的低频扭转振动特性。

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