风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障分析及改进

上海之恒新能源有限公司上海200000摘 要:针对2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障，基于可靠性和6。思想，运用故障树方法 进行故障原因分析。针对主控设置及策略、温控阀失效、喷油孔堵塞、冷却器结垢堵塞等故障树中的底事 件，提出改进措施。改进措施实施后，降低了风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障发生率，完成了改进目 标,取得了良好的效果。Abstract：Aiming at the high temperature fault of the high speed gearbox shaft of a 2 MW wind turbine, based on the reliability and 6a concept, the fault tree method was used to perform fault cause analysis. Aiming at the root events in the fault tree such as setting and strategy of the main control, failure of the temperature-sensing valve, blockage of the nozzle opening, blockage of the cooler due to scale, etc. , corrective measures were proposed. After the implementation of the corrective measures, the rate of the high temperature failure of the high speed gearbox shaft of the wind turbine was reduced while achieving the improvement target with good results.关键词:风力发电机;齿轮箱;轴承;故障Key Words：Wind Turbine；Gearbox；Bearing；Fault中图分类号:TH6：TM614 文献标志码：B 文章编号:1672-0555 (2020 )01- 0073-06高温故障占比约48% ,研究解决齿轮箱的高温问题

1齿轮箱高速轴高温故障现状齿轮箱是风力发电机组传动链上的关键一环， 其可靠性的高低决定了风力发电机组能否稳定发 电。在日常工作中，需要从根本上降低齿轮箱的故

迫在眉睫。基于2016年1月至2017年8月风力发电机组 齿轮箱故障数据，得到2 MW风力发电机组齿轮箱 故障数量最高，占比为80%。目标厂家齿轮箱高速轴高温故障在齿轮箱故障 中的占比约48% ,如图1所示，且供应商配合度较

障率,发现问题及时维修。在风力发电机组故障中. 齿轮箱故障占15%~20%。可见，齿轮箱是一个高 价值、高故障率的核心部件。在齿轮箱故障中，轴承

高，因此选择目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱

作为改进对象。收稿日期:2020年1月作者简介:王丽敏(1970—),女.本科，高级工程师•主要从事风力发电质量安全维护工作装备机械2020 No. 1—73 —质量•检测Quality, Inspection & Measurement间约10.9 mino对此进行改进，目标为一年内使齿

轮箱高速轴高温故障发生率下降50%。3故障原因分析基于可靠性与6”思想，运用故障树方法对目

标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障 进行原因分析。确定顶事件为主控制系统报齿轮箱 髙速轴温度高于95T,导致风力发电机组停机。故

障树方法中，外边界决定了分析的广度，内边界决定 了研究的深度。通过对故障机制进行深入分析，明

确各影响因素之间的关系,形成故障树。针对2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故 障,对热量的来源进行了分析。齿轮箱高速轴温度

2改进目标目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高 温故障平均每台每月发生1.75次，每次故障停机时

影响因素作用关系如图2所示。轴承运行时产生摩

擦,导致滚珠轴承发热。温控阀失效,导致热量不能 及时散出，且不能及时进行热交换，进而引起高温故 障。齿轮箱高速轴高温故障树如图3所示。匚》载荷润滑油—冷却液 匚＞ 空气 Ptioo温度传感器信号------压力、压差开关信号控制信号图2齿轮箱高速轴影响因素作用关系通过简化故障树、建立故障树数学模型和求最 小割集的方法，进行故障树定性分析,通过计算顶事

闭，热油路通。温控阀正常可往复运动3万次,在使用一定年 限后，中温包密封介质失效，造成无法在润滑油温度

件概率、重要度分析和灵敏度分析,进行故障树定量

分析。在定性分析和定量分析的基础上，识别设计 变化后切换油路，即无法对润滑油进行冷却，进而导 致高速轴高温故障：油液清洁度差、滤芯堵塞会增 大温控阀触发频率，加速温控阀失效。外界环境风

中的薄弱环节，采取相应措施。对温控阀失效底事件进行深入分析，温控阀结

构如图4所示。当润滑油温度低于45七时,冷油路 和热油路通。当润滑油温度为45 ~60 t时,冷油路 通，热油路闭。当润滑油温度高于60 T时，冷油路

-74 —装备机械2020 No. 1沙较大，散热板表面积灰严重，会导致散热能力下 降，使温控阀动作次数增加，同样会引起温控阀过早 失效。分析表明，温控阀失效的主要原因并非质量Quality, Inspection & Measurement质量•检测装备机械2020 No. 1—75 -质量•检测Quality. Inspection & Measurement问题，而是因为接近设计使用寿命。基于风电场使

用条件，将温控阀定性为易损件。对喷油孔堵塞底事件进行深入分析，原因包括 两方面:喷油孔设计过小,润滑系统中滤芯使用的单

向阀存在脱落堵塞油孔现象。4改进措施根据故障树分析得到的底事件分类，制订相应 的改进措施。从耗费时间、实施成本、可执行性、底 事件最小割集阶数、底事件出现频次、底事件实际发 生频次、改进空间等七个维度对改进措施评分决策

图4温控阀结构分别进行评分，形成改进措施决策表，见表1,并重表1改进措施决策表分组底事件实施花费

时间，含测 实施成本 试验证时间 （1 ~10 分）（1 ~10 分）可执行性 （1 ~10 分）底事件 最小割集 阶数（1 ~3 分）底事件 出现频次 （1 ~3 分）底事件 实际发生 频次 （1~3 分）改进空间 （1 ~10 分）总分A主控设置及策略混油8547796831332329122 4727 56018 432B未及时更换润滑油冷却器结垢堵塞8532367211315 120C冷却叶片磨损或损坏3524656821123382 40010 080冷却液缺失或失效未按要求更换滤芯D657983232温控阀失效喷油孔堵塞97338869 98420 160E562点实施总分最高的底事件改进措施。左右,之后会有石蜡泄漏引起失效的风险，对此提出 以下改进措施:①优化温控阀位置，便于进行更换;

针对评分较高的主控设置及策略、温控阀失效、

喷油孔堵塞、冷却器结垢堵塞进行重点改进。对于 主控设置及策略，修改相关控制参数和控制逻辑，齿

②开发压力随动阀代替现有温控阀，压力随动阀的

轮箱润滑油加热器启动油温值设置为15七，齿轮箱

机械弹簧设计寿命为100万次;③有条件的风电场 增加离线过滤器，去除润滑油颗粒物、氧化产物，保 证油品质量。对于喷油孔堵塞，目前喷油孔尺寸为2 -如mn, 设计尺寸更改为2-03.5 mm。与此同时，在喷油板 中开孔，提高回油散热的效率。使用锥面密封单向 阀，在滤筒底部增加过滤网，这样可以防止异物进入

润滑油泵低速润滑模式启动油温值设置为10

删除齿轮箱润滑油泵低速和高速润滑模式启动最低 风轮速度值、齿轮箱润滑油泵电机加热带停止加热

和启动加热油温值。此外.对于对齿轮箱无影响的 参数,保持原设置值，具体包括齿轮箱高速轴风轮侧 轴承温度最高值95 °C、齿轮箱高速轴电机侧轴承温

润滑油路。度最高值95 °C、齿轮箱冷却水温度最高值55 T、齿 轮箱润滑油温度最高值75 r、齿轮箱入口油温最高 值70乜。对于冷却器结垢堵塞，增加定期维护，防止冷却

器被柳絮、杨絮、芦苇絮、灰尘等堵塞，避免影响冷却 效果。增加清扫装置定期清扫，保证散热效果。此 外.可以研究专用清洗剂，用高压清洗冷却器内的

对于温控阀失效，目前2 MW风力发电机组齿 轮箱所使用的石蜡式温控阀，使用寿命为30 000次—76 —装备机械2020 No.1结垢OQuality, Inspection & Measurement质量•检测改进后，主控制系统逻辑如图5所示，喷油孔尺 滤网如图7所示，冷却器定期维护前后对比如图8寸更改及喷油板开孔如图6所示，滤筒底部增加过所示。风力发电机运行范国 风力发电机生存范围坏境温度-40 |-35 |-30 |-25 |-20 |-15 |-10 |-5(0

|5

|10 |15 |20 |25 |30 |35 |40 |45 |50 |X? | | | | | £最髙坏境温度冷却风扇电机

<-----

----------温度卜降温度上升 -------

-------->开 关ZZT冷却水温度-40 |-35 |-3|-25 |-20 |-5 |-10 |-5 |0

|5

|10|15 |20 |25 卩0 |3540 t忡 |50 |SS |r |

| | 9最烏水温冷却水泵电机

温度卜降温度上升开 关润滑油泵电机

高速 风力发电机tn100%功率运行低速 14力发电机40%功率运行I I关电加热器关开

__________________________________________________________________________________________________

匚］~齿轮箱油温 |-40 |-35 |-30 |-25 |-20 |-15 |-10 |-5

|0

|5 |l0 ||5 |20 |25 |30 |35 |40 |45 |50 |55 |60 |65 |70 |?5 |€最高油温图5改进后主控制系统逻辑(a)改进前图6喷油孔尺寸更改及喷油板开孔(b)改进后图7滤筒底部增加过滤网图8冷却器定期维护前后对比装备机械2020 No. 1—77 —质量•检测Quality, Inspection & Measurement并提岀了改进措施通过实施改进措施，减少了齿

5改进效果2018年3月至6月，风电场2 MW风力发电 机组齿轮箱共发生高速轴高温故障477次，机组数

轮箱高速轴高温故障的发生次数，降低了故障发生

率。在分析与改善的过程中，应用了可靠性与6°

思想，为解决类似故障、提高电力系统可靠性提供了 借鉴。为67台,齿轮箱高速轴高温故障平均每台每月发生

1.78次。改进措施实施后，2019年3月至6月，风

电场2 MW风力发电机组齿轮箱共发生高速轴高温

参考文献[1] [2]

故障201次，平均每台每月发生0.75次，齿轮箱高 速轴高温故障发生率下降57. 9%,实现了改进

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\心、*青岛国际金属加工设备及技术展览会助力产业升级十八载厚积薄发，青岛国际金属加工设备及技术展览会已发展成为华东地区制造装备领域首屈一指的专业展览会第十

八届青岛国际金属加工设备及技术展览会将于2020年5月27日至30日举行.随着展示主题不断充实，展览内容更加丰富，参展商展示面积逐年扩大，为充实展会内涵，为参展商提供更宽广、全面的展 示平台，以更直观且多元的展示方式给观众带来更佳的观展体验，第十八届青岛国际金属加工设备及技术展览会将正式移师青 岛•红岛国际会议展览中心举行.届时，青岛国际金属加工设等及技术展览会将■依据制造业转型升级总基调，全面布局制造业完整产业链，汇聚产业上下游 及各方优势，全新升级为四大主题展区：金属新材料展区、金属成形/铸造锻压热处理技术与设备展区、机械自动化/工业机器人 展区、金属切削展区，预计将吸引来自机械、基础件、零部件、精密仪器企业，汽车整车及零部件企业，家电配套企业，机床装备企 业，模具及配件企业，电子信息与设备企业，智能交通、轨道交通企业，新能源、新材料企业，钢铁和有色金属企业，工程机械企 业，现代农业机械企业，智能工厂、工业机器人、自动化改造企业,仓储物流企业，电力装备企业，国防军工企业，船船海工装备企 业，信息技术与装备企业，航空航天用寒部件企业，医疗装备企业共计50 (M)0人次专业观众参观.(金诺)-78 -装备机械2020 No.1