制造业信息化MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真/建模/CAD/CAM/CAE/CAPP风电齿轮箱故障诊断实例分析肖洪波，刘松松（沈阳鼓风机集团风电有限公司，沈阳110869）摘要：介绍了以齿轮箱振动分析为主要手段的风电齿轮箱故障诊断方法，并通过齿面接触磨损分析和齿轮箱润滑油液分析等辅助手段，对风电齿轮箱的故障点进行分析诊断。

并以某风电厂某台风力发电机组的齿轮箱故障诊断为例，对风电齿轮箱故障诊断方法进行实例分析。

关键词：风电齿轮箱；振动分析；故障诊断中图分类号：T H 132.41文献标志码：A0引言风力发电机组多安装在环境恶劣的高山、荒野、海滩等风资源较优地区，常年经受无规律的变负荷变向风力作用、阵风的冲击，以及严寒酷暑、盐雾等的影响，致使风力发电机组经常出现故障。

风电机组的常见故障类型包括电气系统故障、传感器和叶片/变桨装置故障、齿轮箱故障等。

据统计，我国风场齿轮箱损坏率高达40%～50%，是机组中故障率最高的部件，也是引起风电机组停机的最主要原因［1］，因此，在齿轮箱故障早期进行齿轮箱状态检测，并以此进行故障诊断和分析，可以在早期对故障进行有效诊断，有利于减少维修时间和降低由于齿轮箱故障引起的经济损失，对提高风电场的经济效益和安全性具有重大意义。

1 齿轮箱故障诊断的一般方法以机械故障诊断的测试手段来分类，主要的故障诊断方法有直接观察法、振动和噪声检测法、无损检测法、磨损残余物检测法、机械性能参数检测法等。

其中最常用的是振动检测法［2］。

我们在实例分析齿轮箱故障时使用的齿轮箱故障诊断方法是以振动检测为主，辅助以直接观察法和磨损残余物检测法。

1.1 齿轮箱故障分析内容一般情况下，对齿轮箱故障分析主要从以下几个方面开展：1）振动分析；2）齿面接触磨损分析；3）齿轮箱润滑油液分析。

1.2 齿轮箱振动检测点布置在风电场现场对齿轮箱进行故障诊断时，通常按图 1 一级齿圈高速轴轴高速轴径径向测点向测点向测点发电机驱动端径向测点扭矩臂轴向测点图1振动传感器布置图文章编号：1002－2333（2014）04－0152－04位置布置高速采集振动传感器。

2实例分析以某风电场某台风电机组的齿轮箱故障诊断为例，介绍风电齿轮箱的故障诊断方法。

2.1 振动分析2.1.1 振动测点分布与安装依据齿轮箱结构，现场安装高速采集测点的传感器。

具体安装位置见图2。

图 2 齿轮箱高速采集测点2.1.2 振动数据分析表 1 为现场高速采集的各测点振动数据的加速度有效值和峭度指标。

黑色字体数据为正常指标，灰色字体数表1振动检测数据测点项目100 r/min 500 r/min 1 000 r/min 1 200r /min空转空转空转加载200 kW 扭矩臂轴向有效值（/m·s-2）0.143 9 2.702 3 10.814 5 12.417 1峭度 3.171 97.719 1 3.365 9 3.528 1一级齿圈径向-2峭度 2.560 5 2.552 0 2.490 5高速轴径向有效值（/m·s-2）0.026 8 0.315 8 5.942 7 11.081 3峭度 4.052 3 3.394 5 6.319 7 33.895 8 高速轴轴向有效值（/m·s-2）0.236 1 7.343 4 28.135 6 30.132 82.560 53.801 5 3.007 4 2.885 1发电机驱动端径向有效值（/m·s-2）0.129 2 2.135 9 3.679 1 4.600 0峭度 3.751 8 3.896 4 3.009 4 37.405 4152 机械工程师2014年第4期为不正常指标。

从表上的数值来看，一级齿圈径向没有问题，其他测点红色指标过多，需要进一步分析排除。

扭矩臂轴向、高速轴径向和发电机驱动端径向在100 r/min 下的峭度均超标（＞3.5）。

而从时域波形可以观察到三者之间具有非常明显的“节律”同步性，由于 3 个测点跨距较大，相互影响可能性小，因此可以判定这种同步性是由相同的外部因素造成的，造成这种冲击变动的原因就是变化的风载。

而扭矩臂轴向和高速轴径向的峭度要大很多的原因是在其时域曲线上可以看到异常的突发性的短时冲击，在剔除这些阵风造成的冲击点数据后，三者峭度值基本相同，如图 3 所示。

） 1.0（m / s · 0.5-1.0-0.51020304050 60 70 80 90 100 ）时间/s0.150.10 -0.200 -0.05-0.10-0.151020304050 60 70 80 90 1002）时间/s-0.5-0.5-1.010 203040 50 60 70 80 90 100时间/s图 3 振动数据如图 4 所示，扭矩臂轴向和高速轴径向在 55 s 左右受阵风影响振动值偏大，而峭度对冲击性十分敏感，因1）-2（m/s ·-2加速度-4-5-60 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100时间 /s0.80.7）0.6（m /s · 0.4加速度0.3 0.2 0.1-0.10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100时间 /s图 4 100 r/min 扭矩臂轴向和高速轴径向振动制造业信息化仿真 / 建模 / CAD / CAM / CAE / CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION此，这两个点的峭度值比较大，在剔除这些冲击点后的正常振动部分峭度与发电机峭度基本相同，因此，100 r/min的几个异常参数并非齿轮箱本身的故障异常所致。

如图 5，发电机驱动端轴向在 1 200 r/min 峭度大，从 时域波形来看，也是单一大幅值冲击所造成 ，如果是驱动 端轴承自身出现故障，在 100s 的时间内必然会重复出现 冲击波形，而不是如上图所示的只有一次冲击，又峭度对冲击异常敏感，故而仅此一次冲击就可导致整个时间段内的峭度值增大许多倍。

经过计算，剔除该外部冲击，取后 80 s 的数据进行峭度计算，其值只有 3.060 4，峭度值正常。

300200）（m / s ·加速度 0-100 -200 -3000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100时间 /s图 5 1 200 r/min 发电机驱动端轴向振动通过前面的分析，可知：扭矩臂处振动受风载影响较大，不是该齿轮箱振动超标的根源；发电机和齿圈测点基）0.25（m /s · 0.20速度0050 100 150 200 250 300 350 400 450 500频率/Hz（a ）1 000 r/min 高速轴径向速度谱）（m /s ·0.4速度0.30 100 200 300400500600频率/Hz（b ）1 200 r/min 高速轴径向速度谱×10-4）1.0速度0.80.6 0.40.20 0100 200 300 400 500600 700 800 900 1000频率/Hz×10（c ）1 000 r/min 高速轴轴向振动速度谱2.0）1.0速度0.80.6 0.40.200100 200 300 400 500600 700 800 900 1000频率/Hz（d ）1 200 r/min 高速轴轴向振动速度谱图 6 高速轴径向与轴向的速度频谱机械工程师2014 年第 4 期 153制造业信息化MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD / CAM / CAE / CAPP本属于正常范围，基本排除其为噪声源的可能；主要的问题集中在高速轴的径向和轴向振动。

图 6 为高速轴的径向和轴向振动的频谱分析。

图 6依次为 1 000 r/min 、1 200 r/min 高速轴径向与轴向的速度频谱。

根据所得到的频谱可以得出以下结论： 1）高速轴径向振动中，高速轴转频分量是最主要的分量，其他分量幅值相对较小，且加载后的高速轴 1 倍频率分 量增加量比其 2 倍频分量的增加量要高得多，即 1 000 r/min 频谱一倍频（16.61 Hz ）幅值与其 2 倍频（33.7 Hz ）幅值的比值约为 2，而 1 200 r/min 频谱一倍频（20.09 Hz ）幅值与其 2 倍频（40.53 Hz ）幅值的比值约为 6 ，说明转速与载荷对高速轴径向的影响主要针对的是高速轴转频的 1 倍频分量，其他分量的影响较小； 2）高速轴轴向振动中，除高速轴转频分量外，另有频 率约为 10 倍和 18 倍高速轴转频的分量，即 1 000 r/min频谱中的 171.5 Hz 和 309 Hz ，及 1 200 r/min 频谱中的209 Hz 和 370.7 Hz 分量。

通过幅值观察可看到，增加载荷没有对 1 倍高速轴转频分量产生明显影响，幅值变化不大，而 10 倍频率分量幅值增大 66%，18 倍频率分量幅值减小了 26%，且 10 倍频率分量附近的几个峰值也显著增大。

根据齿轮箱各部件的特征频率可知，这两个较大的分 量是高速轴轴承的故障频率分量。

3）如图 7 所示，分别为高速轴径向振动在 500 r/min 、1 000 r/min 和 1 200 r/min 转速时的时域振动幅值曲线，可43 ）2（m /s · 1 加速度 -1-2 -30 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 时间/s（a ）500 r/min 高速轴径向振动6050） 40（m /s · 20 加速度10 0 -10 -20-30102030405060708090 100时间/s（b ）1 000 r/min 高速轴径向振动450400350）（m /s · 250加速度200 150 100 50 0-50102030405060708090 100时间/s（c ）1 200 r/min 高速轴径向振动图 7 不同转速下时域振动幅值曲线以看到，随着转速的增加，径向振动的偏向性越来越大，振动幅值区间由开始的［-3，4］到［-30，60］到［-50，450］，说明振动具有向正向偏移的倾向，这种现象的出现应与高速轴轴承故障有关。

2.1.3 振动分析小结初步判断结果为高速轴推力轴承故障导致轴承间隙增大，由于间隙的增大导致径向方向振动幅值增大，同时轴承可提供的轴向反力减小，在三级齿轮轴向力的作用下使得高速轴受到的合力增大，从而导致轴向振动严重超标，噪声增大。

2.2 齿面接触及磨损情况分析通过检查内齿圈和行星轮、一级平行轴齿轮、二级平行轴齿轮的齿面接触长度和磨损情况，均未发现偏载、断齿、点蚀和磨损的现象。