油液監(jiān)測振動監(jiān)測聯(lián)合預(yù)警風(fēng)電齒輪箱故障

梁培沛 丁 顯 陳 鐵 岳俊紅 孫 浩

（龍源（北京）風(fēng)電工程技術(shù)有限公司 北京）

一、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油液監(jiān)測和振動監(jiān)測概述

1.監(jiān)測技術(shù)簡介

作為風(fēng)電機(jī)組核心傳動部件，齒輪箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩大、高速重載等特點，對其齒輪、軸承等部件的設(shè)計、加工、裝配及運維均有較高要求。由于齒輪箱運行狀態(tài)直接影響到風(fēng)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性，因此齒輪箱便成為風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測體系中普遍關(guān)注、重點跟蹤的部件之一。

目前，針對齒輪箱的故障監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)主要包括油液監(jiān)測、振動監(jiān)測、聲學(xué)監(jiān)測、性能監(jiān)測以及紅外監(jiān)測等，前兩者是目前國內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)手段。油液監(jiān)測通過分析齒輪箱在用潤滑油的性能變化及其攜帶的磨損顆粒等載體，獲取設(shè)備潤滑、磨損等信息，用以評價設(shè)備運行狀態(tài)、預(yù)警故障隱患。振動監(jiān)測通過采集齒輪箱運行時對應(yīng)檢測點的頻率、幅值等參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)的間歇性、周期性變化來評估齒輪箱的運行狀態(tài)。兩種手段各有優(yōu)缺點，見表1。

2.兩種監(jiān)測技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

齒輪箱故障多集中在齒輪、軸承部位，齒輪的主要故障形式有齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合及斷齒等，軸承主要故障形式有疲勞剝落、軸承磨損、軸承膠合、軸承腐蝕及保持架變形等。

表1 油液監(jiān)測和振動監(jiān)測優(yōu)缺點

以潤滑油及其攜帶的雜質(zhì)、設(shè)備運轉(zhuǎn)時的振動信號為載體，通過分析摩擦、磨損和振動三者之間的關(guān)系，結(jié)合齒輪箱常見故障類型，可對齒輪箱油液監(jiān)測、振動監(jiān)測的聯(lián)合應(yīng)用作如下推論。

（1）潤滑不良是設(shè)備磨損的主因之一，磨損和振動是故障的結(jié)果表現(xiàn)形式，通過探測磨損和振動的異常信息可以監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。

（2）設(shè)備正常運行時，摩擦副之間的磨損以及振動信號均無異常，而當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，其磨損和振動信號在理論上也會出現(xiàn)異常。通過捕捉、總結(jié)油液、振動的數(shù)據(jù)、信號特征，并將其劃檔、分類，便可將數(shù)據(jù)、信號與故障類型相對應(yīng)，即可判斷設(shè)備有無故障，故障嚴(yán)重程度如何。

二、兩種監(jiān)測手段聯(lián)合應(yīng)用流程

油液監(jiān)測、振動監(jiān)測均有離線、在線兩種監(jiān)測方式，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降以及運維水平的提升，在線監(jiān)測將是大勢所趨。但目前國內(nèi)風(fēng)電場采用較多的仍是離線監(jiān)測方式，現(xiàn)以離線監(jiān)測為例，說明這兩種監(jiān)測方式在風(fēng)電領(lǐng)域的聯(lián)合實施流程（圖 1）。

三、兩種監(jiān)測手段在風(fēng)電現(xiàn)場聯(lián)合應(yīng)用效果

龍源電力集團(tuán)將上述兩種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了有效結(jié)合，并將其納入風(fēng)電場技術(shù)監(jiān)督體系中，在風(fēng)電機(jī)組故障預(yù)警方面收到良好效果。

（1）油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的報警案例中，近80%集中于油品使用過程中、在設(shè)備故障發(fā)生前，及時采取更換濾芯、更換油品等措施，可避免后期的潤滑和磨損故障；另外20%的案例集中于設(shè)備故障發(fā)生后，此時可通過現(xiàn)場檢查、內(nèi)窺鏡檢查、振動監(jiān)測等方法進(jìn)行核實確認(rèn)，并據(jù)結(jié)果進(jìn)行檢修。這一方面說明了油液監(jiān)測可發(fā)現(xiàn)萌芽期、發(fā)展期、嚴(yán)重期的多類型故障，另一方面也說明了其在故障萌芽期通過潤滑管理監(jiān)督排除故障隱患的特殊作用。

油液監(jiān)測在風(fēng)電現(xiàn)場應(yīng)用的不足：①對瞬間崩齒類故障難以提前預(yù)警，對于非漸進(jìn)型的崩齒故障，油液監(jiān)測尚無法在過程中提前做出有效預(yù)警，而多是通過崩齒后的大粒徑磨損顆粒做出判斷，存在技術(shù)上的滯后性，通過振動監(jiān)測可一定程度上彌補(bǔ)此缺陷。②無法對齒輪箱故障進(jìn)行定位。油液監(jiān)測可通過齒輪油中磨損顆粒等指標(biāo)的變化對齒輪箱故障做出預(yù)警，但目前尚不能確定磨損的具體部位；故障定位除內(nèi)窺鏡檢查外，多個案例證明，油液監(jiān)測預(yù)警故障、振動監(jiān)測定位故障，是目前解決此問題的有效途徑。

（2）振動監(jiān)測能夠捕捉到的齒輪箱故障形式主要有齒面點蝕、輪齒斷裂、軸承損傷以及嚙合故障等。能夠捕捉到的發(fā)電機(jī)故障主要為發(fā)電機(jī)軸承故障，其中軸承電腐蝕情況占多數(shù)，一般對損傷軸承進(jìn)行更換處理。同時，振動監(jiān)測能夠準(zhǔn)確判斷發(fā)電機(jī)不對中現(xiàn)象。

圖1 風(fēng)電齒輪箱油液和振動監(jiān)測聯(lián)合應(yīng)用模式（離線式）

圖2 A機(jī)組齒輪油監(jiān)測結(jié)果趨勢

圖3 A機(jī)組齒輪油的分析鐵譜

圖4 A機(jī)組高速軸垂直加速度時域波形

圖5 A機(jī)組高速軸垂直加速度頻譜

圖6 A機(jī)組高速軸垂直加速度包絡(luò)譜

圖7 A機(jī)組齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查圖

振動監(jiān)測在風(fēng)電現(xiàn)場應(yīng)用的不足：①低轉(zhuǎn)速部件和行星級故障判斷的準(zhǔn)確性較低。振動監(jiān)測的故障診斷是基于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動機(jī)理實現(xiàn)的，所以只要能夠檢測到相應(yīng)頻率的振動信號，可以準(zhǔn)確判斷設(shè)備的故障部位。但是由于加速度振動傳感器對低頻信號靈敏度較低，振動監(jiān)測對低速轉(zhuǎn)動部件的準(zhǔn)確性不高。而且傳感器拾取的行星輪系的振動信號傳播路徑不直接，也是導(dǎo)致行星級故障判斷準(zhǔn)確率低的原因之一。②由于離線振動難以做出準(zhǔn)確的趨勢分析，對故障嚴(yán)重程度判斷的準(zhǔn)確性也存在偏差。此類故障可以通過油液監(jiān)測的元素分析、鐵譜分析等手段來予以一定程度的補(bǔ)足。

四、聯(lián)合應(yīng)用的典型案例

1.油液監(jiān)測早期預(yù)警，振動監(jiān)測協(xié)同跟蹤

A機(jī)組齒輪箱2014年初開始進(jìn)行定期監(jiān)測（圖2），2015年初該機(jī)組齒輪油樣品出現(xiàn)鐵元素含量和鐵磁顆粒含量（PQ指數(shù)）升高現(xiàn)象，并對該機(jī)組齒輪箱報“注意”警示，建議取樣復(fù)檢，并對齒輪箱進(jìn)行振動監(jiān)測。復(fù)檢結(jié)果顯示其鐵元素含量和鐵磁顆粒含量升高趨勢更加明顯，分析鐵譜（圖3）顯示其樣品中疲勞剝落磨粒居多，且有少量磨粒直監(jiān)測對故障予以協(xié)同跟蹤、確認(rèn)，大幅提高了故障預(yù)警的準(zhǔn)確性。

圖8 B機(jī)組齒輪油液監(jiān)測結(jié)果趨勢

圖9 B機(jī)組齒輪油的分析鐵譜

圖10 B機(jī)組齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查圖

圖11 B機(jī)組中間軸垂直加速度頻譜

圖12 B機(jī)組中間軸垂直加速度包絡(luò)譜

2.油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障，振動監(jiān)測定位故障

B機(jī)組齒輪箱2012年11月開始進(jìn)行定期監(jiān)測（圖8），2014年10月該機(jī)組齒輪油樣品出現(xiàn)鐵磁顆粒含量（PQ指數(shù)）異常升高現(xiàn)象，分析鐵譜（圖9）顯示其樣品中疲勞剝落磨粒居多，且有少量磨粒直徑已＞300 μm，另有少量銅顆粒，屬于明顯的異常磨損，同時黏度的急劇降低也應(yīng)是異常磨損的剪切作用所致。遂對該機(jī)組齒輪箱提出“報警”，建議振動監(jiān)測進(jìn)行確認(rèn)。

現(xiàn)場根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果對該機(jī)組開展振動監(jiān)測，進(jìn)行故障定位，結(jié)果見圖11和圖12。圖11加速度頻譜顯示在低頻段（300 Hz和500 Hz附近）均存在振動幅值較高能量峰，間隔頻率為中間軸轉(zhuǎn)動頻率7.5 Hz；經(jīng)包絡(luò)分析（圖12），存在中間軸轉(zhuǎn)頻7.5 Hz及其倍頻和高速軸轉(zhuǎn)頻30 Hz及其倍頻，說明中間軸、高速軸齒輪嚙合存在嚴(yán)重?fù)p徑已超過50 μm，屬于明顯的異常磨損階段。

圖13 C機(jī)組中間軸垂直加速度時域波形

現(xiàn)場根據(jù)油液監(jiān)測建議，對機(jī)組齒輪箱開展振動監(jiān)測，結(jié)果見圖4～圖6。圖4加速度時域波形顯示機(jī)組齒輪箱高速軸明顯存在頻率為18.1 Hz的沖擊，圖5加速度頻譜在3500 Hz附近存在能量峰值，圖6加速度包絡(luò)譜中18.1 Hz及其倍頻占主要成分，其中18.1 Hz為高速軸轉(zhuǎn)動頻率，說明該機(jī)組齒輪箱高速軸振動異常，日常應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注并及時進(jìn)行復(fù)測。

機(jī)組齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果見圖7，顯示其齒面（尤其是齒根處）點蝕明顯，且有多處擦傷。此案例表明：油液監(jiān)測可以在故障早期通過潤滑油的劣化捕捉設(shè)備運行異常信號，并提請振動傷，需立即停機(jī)檢查。

對B機(jī)組齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果如圖10，顯示其中間軸大齒輪和高速軸齒輪齒面已斷齒。此案例表明：在油液監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障后，不能確認(rèn)故障具體部位的情況下，可通過振動監(jiān)測度不同測點的信號采集和分析，確定故障發(fā)生部位。

3.振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障，油液監(jiān)測尋找原因

2013年3月對C機(jī)組齒輪箱進(jìn)行振動監(jiān)測，結(jié)果見圖13、圖14，圖13時域波形振動能量加大且存在明顯沖擊成分，加速度頻譜在50 Hz和200 Hz低頻段均存在頻率為7.2 Hz邊頻成分，將其進(jìn)行包絡(luò)分析（圖15），7.2 Hz及其倍頻占主要成分，7.2 Hz為中間軸轉(zhuǎn)動頻率，說明C機(jī)組齒輪箱中間軸存在磨損，建議現(xiàn)場關(guān)注該機(jī)組運行情況，并進(jìn)行油液監(jiān)測。

圖14 C機(jī)組中間軸垂直加速度頻譜

圖15 C機(jī)組中間軸垂直加速度包絡(luò)譜

圖16 C機(jī)組齒輪油的油液監(jiān)測結(jié)果趨勢

C機(jī)組齒輪箱油液監(jiān)測的趨勢圖上（圖16）可以看出：該機(jī)組齒輪油的黏度在2014年5月出現(xiàn)異常降低，6月復(fù)檢結(jié)果與之相同，結(jié)合元素和黏度數(shù)據(jù)，推斷為混油所致。與現(xiàn)場核實，運維人員在定檢時，誤將液壓油加入到齒輪箱中，導(dǎo)致潤滑油黏度降低，油膜變薄，從鐵元素和PQ指數(shù)的異常升高來看，也說明齒輪箱已出現(xiàn)異常磨損。

該機(jī)組齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果見圖17，其中間軸齒面有明顯磨損。此案例表明，在振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障后，油液監(jiān)測可進(jìn)一步確認(rèn)，并尋找設(shè)備故障在潤滑管理方面的原因。

圖17 C機(jī)組的內(nèi)窺鏡檢查圖

五、結(jié)論

油液監(jiān)測和振動監(jiān)測的聯(lián)合應(yīng)用，可以互通有無、取長補(bǔ)短，通過技術(shù)上的交叉印證，在保障設(shè)備潤滑安全、提高故障預(yù)警效率、定位設(shè)備故障位置等方面體現(xiàn)了協(xié)同作用，起到“既重發(fā)現(xiàn)，更重預(yù)防”的良好效果，發(fā)揮其在故障預(yù)警和隱患消除方面的雙重優(yōu)勢，可切實提高設(shè)備管理水平，在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障預(yù)警中起到了積極作用，也為其他設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測模式提供了一定的參考。