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1、Gamesa 機(jī)組齒輪箱故障原因分析,2020年9月14日,2,Gamesa機(jī)組簡(jiǎn)介,G52/58機(jī)組為典型的“丹麥設(shè)計(jì)”風(fēng)電機(jī)組 水平軸 三葉片 上風(fēng)向 主動(dòng)偏航 變槳距功率調(diào)節(jié) 雙饋式變速恒頻控制,3,Gamesa機(jī)組簡(jiǎn)介,機(jī)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(jī)組的左側(cè)，與發(fā)電機(jī)相連，主軸采用雙軸承設(shè)計(jì)。,4,故障現(xiàn)象,現(xiàn)場(chǎng)巡檢中，在塔架下部聽到機(jī)艙發(fā)出很大的異常聲音。 停機(jī)進(jìn)入機(jī)艙檢查發(fā)現(xiàn)： 轉(zhuǎn)速到350RPM左右時(shí)，齒輪箱殼體與輸入軸相對(duì)前、后軸向竄動(dòng)，躥動(dòng)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(cè)無法判斷故障部位； 采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)可初步判斷故障部位；,6,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,測(cè)試儀器：便攜式離線振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備 測(cè)試狀態(tài)： 機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速：8601200rpm左右； 發(fā)電功率：40120kW左右； 記錄數(shù)據(jù)： 傳動(dòng)系統(tǒng)的多點(diǎn)的振動(dòng)頻率、幅值與加速度； 發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速； 機(jī)組實(shí)時(shí)輸出功率； 實(shí)時(shí)風(fēng)速；,7,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,記錄機(jī)組實(shí)時(shí)輸出功率與實(shí)時(shí)風(fēng)速的原因： 采用便攜式振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，

3、僅兩個(gè)記錄通道，無法同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的數(shù)據(jù)，必須保證各點(diǎn)測(cè)量時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速較接近； 雙饋機(jī)組在810m/s區(qū)段轉(zhuǎn)速變化較快，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，記錄功率和風(fēng)速可以在對(duì)轉(zhuǎn)速的變化值進(jìn)行校驗(yàn)；,8,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,測(cè)點(diǎn)布置如圖，共11點(diǎn)；,9,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,各采集點(diǎn)理論上均應(yīng)位于軸承座6點(diǎn)鐘位置（承載區(qū)）上，可是個(gè)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(dòng)參數(shù)為以下兩種： 速度頻譜：檢測(cè)由于如松動(dòng)、不平衡和不對(duì)中等低頻振動(dòng)故障；監(jiān)測(cè)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(rùn)滑不良，重復(fù)性沖擊等問題。,10,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,11,振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)記錄，輸出軸轉(zhuǎn)速為984 r/min ，由于風(fēng)力機(jī)組處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化快，認(rèn)為兩個(gè)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(dòng)監(jiān)測(cè)分析,13,振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,從上圖中可以看到齒輪箱故障已經(jīng)影響到機(jī)艙大幅度軸向振動(dòng)。 齒輪箱振動(dòng)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(shí)，軸承外圈被軸承座和端蓋所固定無法移動(dòng)，主軸會(huì)帶動(dòng)軸承內(nèi)圈軸向竄動(dòng)，這種缺陷在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中運(yùn)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(gè)相對(duì)剛性整體，主軸前后竄動(dòng)會(huì)通過脹緊套將力矩傳遞給齒輪箱行星輪，行星輪軸向躥動(dòng)撞擊齒圈和端蓋發(fā)出異音，同時(shí)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(jī)型上，發(fā)生過因?yàn)榫o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(jī)緊急剎車時(shí)會(huì)使行星輪承受較大的扭力矩，頻繁緊急剎車會(huì)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(jìn)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(gè)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(jí)套管與輪轂內(nèi)三腳架超級(jí)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(huì)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(dòng)齒輪箱一起振動(dòng)。箱體和軸承座為整體鑄造件，箱體前后竄動(dòng)必然會(huì)使軸承外圈和軸承座之間位移磨損，進(jìn)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(duì)可能的故障點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步檢查； 更換備用齒輪箱，盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行； 對(duì)損壞齒輪箱進(jìn)行解體檢查； 落實(shí)軸承損壞的具體原因,18,檢查結(jié)果,檢查點(diǎn)：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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)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(diǎn)：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(dòng)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(diǎn)：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(dòng)，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(dòng)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(diǎn)：變槳機(jī)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(dòng)，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(dòng)軸承間隙增大后白軸擺動(dòng)擠裂，不影響繼續(xù)使用； 連接螺栓無松動(dòng), 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(dòng)無卡澀現(xiàn)象，葉片變槳拐臂螺栓無松動(dòng)和斷裂；,24,檢查結(jié)果,25,檢查結(jié)果,檢查點(diǎn)：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(rùn)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(yùn)行中齒輪躥動(dòng)，相互撞擊，發(fā)出異常聲音； 齒輪躥動(dòng)，軸承受力超出設(shè)計(jì)值，外圈與軸承座發(fā)生相對(duì)位移，由于箱體材質(zhì)為鑄鐵，發(fā)生磨損； 磨損的顆粒進(jìn)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(shí)；,32,機(jī)組恢復(fù),安裝備用齒輪箱，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行； 在機(jī)組恢復(fù)后，進(jìn)行整機(jī)的測(cè)試；發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到800RPM以上時(shí)，齒輪箱箱體軸向前后竄動(dòng)頻率不斷增大，機(jī)艙振動(dòng)明顯，聲音很大 ； 機(jī)組存在其他缺陷；,33,其他

11、檢查,控制系統(tǒng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)： 在10m/s風(fēng)速下PITCH AND BRAKE測(cè)試中設(shè)定變槳值為30和轉(zhuǎn)速達(dá)到570rpm時(shí)風(fēng)力機(jī)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(dòng)； 緊固端子排接線后在重復(fù)RPM TEST時(shí)通過測(cè)試，機(jī)組未報(bào)故障； 啟動(dòng)機(jī)組，齒輪箱軸向躥動(dòng)消失，運(yùn)行平穩(wěn)，未見振動(dòng)和異音，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)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(jī)構(gòu)故

12、障是造成該機(jī)組齒輪箱振動(dòng)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(dòng)和軸承損壞的原因。通過對(duì)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)量小于0.10mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主軸箱振動(dòng)0.03mm。這兩項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)說明軸及軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，軸承工作游隙正常，主軸未發(fā)生軸向竄動(dòng)和跳動(dòng)。

13、 基于主軸竄動(dòng)而引起齒輪箱振動(dòng)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(chǎng)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(yùn)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(dòng)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(jī)構(gòu)故障是造成該風(fēng)力機(jī)組齒輪箱振動(dòng)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(dòng)作造成齒輪箱振動(dòng)和軸承損壞； 備用齒輪箱安裝后仍然有很大的振動(dòng)，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(jìn)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(dòng)，緊固后振動(dòng)消失，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；,38,故障分析,Gamesa機(jī)組是變槳距、雙饋機(jī)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(hào)附加標(biāo)志脈沖和反向信號(hào)； 每周輸出2048個(gè)脈沖；,42,故障分析,編碼器測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號(hào)送到CCU X111端子排01端子，接線松動(dòng)導(dǎo)致 PLC接收的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)不穩(wěn)定，使PLC采集到的葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)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(huì)控制變槳驅(qū)動(dòng)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(dòng)變槳桿在缸體內(nèi)快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)；,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(yùn)動(dòng)時(shí)，以三腳架為固定支點(diǎn)推動(dòng)液壓缸向前、后運(yùn)動(dòng)；液壓缸也相應(yīng)推動(dòng)變槳桿向前、后運(yùn)動(dòng)，液壓缸的前后運(yùn)動(dòng)趨向帶動(dòng)齒輪箱外殼前后軸向竄動(dòng)，引起整個(gè)機(jī)艙振動(dòng)并伴隨巨大的異音。,44,故障分析,了解到該機(jī)組此次修前液壓站比例閥更換過4個(gè)，變槳液壓缸也因?yàn)榭逑催^一次。說明頻繁的變槳使比例閥長(zhǎng)期高負(fù)荷工作，損壞了內(nèi)部閥芯，更進(jìn)一步說明齒輪箱故障不是短期形成的，而是較長(zhǎng)一段時(shí)期間歇振動(dòng)累積的結(jié)

16、果。,45,故障分析,端子接線松動(dòng)分析： CCU X111（Encoder）端子排01端子接線在原齒輪箱振動(dòng)發(fā)生時(shí)未檢查到，新齒輪箱振動(dòng)發(fā)現(xiàn)松動(dòng)緊固后故障消除。引起接線松動(dòng)會(huì)有兩方面原因，一是該接線端子的塑料材質(zhì)，會(huì)因?yàn)槎具\(yùn)行熱脹冷縮的原因發(fā)生松動(dòng)脫落的現(xiàn)象，這種故障在東北等地的風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)過，但該風(fēng)場(chǎng)多臺(tái)同型號(hào)風(fēng)力機(jī)組均未發(fā)現(xiàn)由于熱脹冷縮導(dǎo)致端子線松動(dòng)的現(xiàn)象，所以該風(fēng)力機(jī)熱脹冷縮導(dǎo)致接線松動(dòng)的可能性極?。欢荂CU在現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)。,46,總結(jié),由于控制系統(tǒng)CCU X111（Encoder）端子排01端子接線松動(dòng)，使PLC采集到葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)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(jī)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(dòng)變槳桿在缸體內(nèi)快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起齒輪箱及整個(gè)機(jī)艙振動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)處理情況，確定控制系統(tǒng)接線松動(dòng)使變槳液壓缸頻繁動(dòng)作引起齒輪箱振動(dòng)，并長(zhǎng)期間歇振動(dòng)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(jī)械設(shè)備故障的事例。,49,建 議,對(duì)風(fēng)力機(jī)油溫頻繁升高到80度以上的齒輪箱報(bào)警要引起高度的重視，追查原因并采取措施，不能簡(jiǎn)單采取復(fù)位程序，油溫下降后又啟動(dòng)運(yùn)行的方式處理問題，防止故障擴(kuò)大成設(shè)備損壞事故。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)檢修人員手持振動(dòng)檢測(cè)儀和聽音棒，對(duì)機(jī)組齒輪箱的振動(dòng)及時(shí)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(duì)油進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(duì)所有機(jī)組的接線端子進(jìn)行緊固檢查，更換損壞的元器件；,