風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫高原因分析及預(yù)防措施研究

[摘 要]大型風(fēng)電機(jī)組普遍面臨著齒輪變速箱油溫過高的問題，其過高的油溫會(huì)使風(fēng)電機(jī)組出力受限，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)，從而影響機(jī)組的發(fā)電量。同時(shí)，高油溫會(huì)降低齒輪油的潤滑和冷卻能力，加快潤滑油的老化速度，縮短變速箱的使用壽命。文章分析了風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫過高的成因，并采取了有效的防范措施，旨在保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)電機(jī)組；齒輪箱；油溫高原因

[中圖分類號(hào)]TM315 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0043–03

Analysis of High Oil Temperature in Wind Turbine Gearbox and Exploration of Preventive Measures

SHEN Kun

[Abstract]Large wind turbines generally face the problem of high oil temperature in the gearbox， which can limit the output of the wind turbine and even cause it to shut down， thereby affecting the power generation of the unit. At the same time， high oil temperature will reduce the lubrication and cooling capacity of gear oil， accelerate the aging rate of lubricating oil， and shorten the service life of the gearbox. The article analyzes the causes of high oil temperature in the gearbox of wind turbines and takes effective preventive measures to ensure the safe operation of wind turbines.

[Keywords]wind turbines； gearbox； reasons for high oil temperature

1 概述

風(fēng)電機(jī)組規(guī)模不斷擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的同時(shí)，也出現(xiàn)了許多技術(shù)上的困難，尤其是變速箱內(nèi)的油溫過高問題。齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中的關(guān)鍵傳動(dòng)元件，其內(nèi)部有許多齒輪、軸承等零件，在高速運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。在風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，若溫度較高，將對(duì)風(fēng)機(jī)的工作效率產(chǎn)生很大的影響。

2 齒輪箱潤滑系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）潤滑油供給機(jī)構(gòu)。其將齒輪性潤滑油進(jìn)行定點(diǎn)輸送。為了保證潤滑油的穩(wěn)定連續(xù)供應(yīng)，一般由油泵、油箱和管道等組成。

（2）過濾器。主要作用是過濾油液中的各種金屬顆粒及水分等雜質(zhì)，使油液保持潔凈，并避免其對(duì)齒輪、軸承造成損壞。

（3）閥體總承。由多種控制閥及調(diào)節(jié)閥組成，其作用是對(duì)潤滑油的流量、壓力及流向進(jìn)行控制，保證潤滑油按預(yù)先設(shè)定的方向輸送至齒輪箱各部分。

（4）連接管線。將供油裝置、過濾器、閥體總承、齒輪箱等零件連接起來，構(gòu)成一個(gè)整體的潤滑體系。

（5）冷卻器。起到降溫作用，避免因油溫過高而影響齒輪箱潤滑，延長齒輪箱使用壽命。

2.2 工作原理

（1）啟動(dòng)階段。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，齒輪箱油泵電機(jī)啟動(dòng)，通過管路將齒輪箱內(nèi)部油液泵送入濾油系統(tǒng)，該過程中，油泵電機(jī)一般采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為伺服機(jī)構(gòu)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)液態(tài)油泵，在轉(zhuǎn)速上設(shè)置有雙速模式，可根據(jù)實(shí)時(shí)油液溫度進(jìn)行自主控制，從而實(shí)現(xiàn)油泵的快慢速切換與運(yùn)行狀態(tài)保持。

（2）供油過程。齒輪油液在流經(jīng)齒輪箱的過程中，會(huì)經(jīng)過油管、油槽、油道等結(jié)構(gòu)，確保齒輪油能夠精準(zhǔn)地噴灑至齒輪的齒面與軸承內(nèi)部，從而在關(guān)鍵部位形成一層潤滑層。這層潤滑層在齒輪與軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著減磨、減阻的關(guān)鍵作用，有助于提升齒輪箱的工作效率和使用壽命。

（3）溫控機(jī)制。在機(jī)油流經(jīng)齒輪箱的過程中，大部分熱能會(huì)被齒輪油吸收并帶走。隨后，這些熱能經(jīng)空油熱交換器向外界散發(fā)，從而保持齒輪及軸承的工作溫度穩(wěn)定，防止因過熱而導(dǎo)致的性能下降或損壞。

（4）齒輪油循環(huán)。完成潤滑作用的齒輪油在流經(jīng)齒輪、軸承后，會(huì)重新返回至油箱。在此過程之前，齒輪油會(huì)經(jīng)過過濾器的過濾，去除其中的雜質(zhì)和顆粒物。經(jīng)過凈化后的齒輪油再次被油泵吸入，并循環(huán)輸送至潤滑及冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)齒輪油的持續(xù)循環(huán)利用。

3 齒輪箱油溫高的原因

3.1 散熱系統(tǒng)問題

3.1.1 散熱片設(shè)計(jì)不合理

散熱器是整個(gè)冷卻系統(tǒng)中最重要的部件，其設(shè)計(jì)對(duì)冷卻效果有很大的影響。若采用錯(cuò)列型肋片，盡管理論上可增加散熱面積，改善散熱效果，但該結(jié)構(gòu)在含塵、柳絮、楊絮等多種環(huán)境下極易發(fā)生阻塞。由于空氣中懸浮的微粒會(huì)在肋片之間逐步堆積，導(dǎo)致排風(fēng)量下降，使散熱效果大幅下降。當(dāng)散熱器阻塞嚴(yán)重時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片的散熱性能會(huì)降低，從而引起箱體內(nèi)溫度的不斷上升，從而影響風(fēng)機(jī)的正常工作。

3.1.2 散熱器通風(fēng)量不足

散熱器是由散熱片堆疊制成的一個(gè)完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)體。部分型號(hào)使用的為油液/空氣冷卻器，在惡劣的工作條件下，柳絮和楊絮等物質(zhì)會(huì)阻塞散熱器，造成風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不夠，導(dǎo)致空氣流通性差，即熱交換設(shè)備不能及時(shí)排出熱量，影響整體散熱效果。

3.1.3 設(shè)計(jì)使用環(huán)境與實(shí)際使用環(huán)境有差異

部分設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)都是以低溫為基礎(chǔ)，但在我國，夏秋兩季的高溫條件下，很有可能會(huì)超過這類設(shè)備的設(shè)計(jì)。在機(jī)組工作過程中，隨著機(jī)組工作狀態(tài)的改變，齒輪箱冷卻系統(tǒng)性能將無法滿足其運(yùn)行需求，導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部的溫度持續(xù)攀升。此現(xiàn)象將嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的冷卻效能，從而降低風(fēng)機(jī)整體的發(fā)電效率。

3.2 齒輪箱內(nèi)部問題

3.2.1 齒輪磨損

在齒輪箱中，齒輪起著傳遞功率和轉(zhuǎn)矩的作用。但長期運(yùn)轉(zhuǎn)下來，由于摩擦，齒輪間的接觸表面會(huì)發(fā)生逐步的磨損。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法——摩擦副。另外，當(dāng)磨耗量加大時(shí)，嚙合面的摩擦因數(shù)也隨之增加。這就意味著，同樣荷載下，傳動(dòng)裝置所需的力量要大得多，以克服摩擦力，結(jié)果使油溫上升。溫度的上升不但使齒輪箱的潤滑性下降，而且會(huì)加快齒輪的磨損，這是一個(gè)惡性循環(huán)。

3.2.2 軸承故障

軸承是支承齒輪等轉(zhuǎn)動(dòng)件的重要零件。如軸承間隙過大、軸承表面磨損、軸承破損、軸承磨損，均可引起摩擦的增加。摩擦系數(shù)的增加，不但增加了發(fā)熱及機(jī)油溫度，而且會(huì)造成振動(dòng)、噪聲等，嚴(yán)重影響齒輪箱的綜合性能。軸承失效的原因很多，如安裝不當(dāng)、潤滑不良、超載等。

3.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)問題

3.3.1 溫控閥失效

溫度控制閥是齒輪箱冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其作用是根據(jù)溫度變化調(diào)整冷卻液流過散熱器的流速。當(dāng)溫度調(diào)節(jié)器失靈時(shí)，會(huì)不能準(zhǔn)確地感應(yīng)到油溫的變化，或者不能隨著溫度的改變而調(diào)整冷卻液的流速。這樣會(huì)造成一部分冷卻液直接返回到變速箱而不通過散熱器，從而不能降低油溫。由于該部件的損壞，在油溫不斷上升的情況下，溫控閥閥芯的反應(yīng)速度會(huì)不夠快或不動(dòng)作，進(jìn)而造成油溫過高。

3.3.2 傳感器故障

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，油溫傳感器是對(duì)齒輪箱油溫進(jìn)行監(jiān)控的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)油溫傳感器失效時(shí)，會(huì)不能很好地檢測到油溫的變化，或把一個(gè)不正確的信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)。這種情況下，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)油溫產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷，造成判斷失誤。

4 齒輪箱油溫高預(yù)防措施探究

4.1 優(yōu)化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 采用更大面積的散熱片或改變散熱片排列方式

散熱片的面積越大，散熱效率越高。由于采用了較大的散熱面積，使箱體內(nèi)的熱更高效地向外界散出。合理的布置可以保證氣流的流暢流動(dòng)，降低熱阻，改善散熱效果。

4.1.2 引入自動(dòng)清潔裝置

在散熱器中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)灰塵、雜物，這些雜物會(huì)粘附在散熱器上，從而降低散熱效率。要解決這一問題，可以引進(jìn)一種自動(dòng)清洗設(shè)備。這能使散熱器保持干凈，并保證穩(wěn)定的散熱。利用定期電機(jī)反轉(zhuǎn)方式，將風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步清理散熱器內(nèi)部翅片上的灰絮灰塵。

4.1.3 引入環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境環(huán)境感知系統(tǒng)能夠?qū)ν饨鐪囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整散熱系統(tǒng)的工作參數(shù)。在高溫條件下，該冷卻系統(tǒng)能自動(dòng)增大齒輪油的流速或降低齒輪油的溫度，從而達(dá)到改善冷卻效果的目的。環(huán)境環(huán)境感知系統(tǒng)不僅能檢測到環(huán)境溫度，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控齒輪箱油溫。通過檢測油溫的變化，可以對(duì)散熱系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行更精確的判定。在油溫高的情況下，冷卻系統(tǒng)能自動(dòng)增大或減小齒輪油的溫度，從而使油溫快速下降，進(jìn)而防止齒輪箱發(fā)熱。

4.2 加強(qiáng)齒輪箱維護(hù)

4.2.1 定期檢查齒輪和軸承的磨損情況

（1）制訂檢測方案。針對(duì)齒輪箱的工作條件及工作環(huán)境，進(jìn)行定期檢測。檢驗(yàn)周期視具體情況而定，但通常不得超過1 a。

（2）齒輪的磨損檢查。通過目測、測量，評(píng)定齒輪的表面磨損狀況來確定是否要更換。尤其要重視重要部件如齒頂、齒根、齒邊的磨損。

（3）檢查軸承的磨耗。對(duì)軸承的徑向游隙、軸向游隙及轉(zhuǎn)動(dòng)彈性進(jìn)行檢測，以確定其工作狀態(tài)。如有不正常的磨損或松動(dòng)，要立即進(jìn)行更換。

4.2.2 引入故障診斷系統(tǒng)

文章提出了一種基于在線振動(dòng)監(jiān)測的齒輪傳動(dòng)故障診斷方法，該方法能夠?qū)X輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能對(duì)其進(jìn)行有效的檢測和處理，以防止其繼續(xù)發(fā)展給齒輪箱帶來危害。對(duì)齒輪箱的溫度、振動(dòng)和噪聲等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。通過對(duì)各參量的分析，可以判定齒輪箱有無異常。在檢測到齒輪箱中有不正常的情況時(shí)，能夠自動(dòng)地對(duì)其進(jìn)行故障診斷。通過與規(guī)范數(shù)據(jù)的比較，可以判斷出故障的種類、部位，并提出解決方案。當(dāng)排除系統(tǒng)判斷出錯(cuò)誤的種類及地點(diǎn)后，應(yīng)立刻通知操作員采取適當(dāng)措施。針對(duì)不同的故障，可采取專項(xiàng)維護(hù)、更換零件或停工維修的方法。

4.3 完善自動(dòng)化控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目擬采用智能控制技術(shù)，通過對(duì)齒輪箱油溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)工作參數(shù)的在線調(diào)整，從而達(dá)到溫度控制的目的。

（1）數(shù)據(jù)采集與處理。該系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器對(duì)變速箱油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并采用先進(jìn)的計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行處理與分析。通過對(duì)溫度的測量，可以掌握齒輪箱的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)存在的問題。

（2）自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過對(duì)溫度的測量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻介質(zhì)流量、溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等參數(shù)的調(diào)整。通過對(duì)齒輪箱進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，保證齒輪箱始終處于合適的工作溫度區(qū)間，提高系統(tǒng)的工作效率與穩(wěn)定性。

（3）故障預(yù)警與診斷。該系統(tǒng)還能對(duì)齒輪箱的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析，能夠正確地判斷出故障的種類及部位，從而為維護(hù)人員的安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

5 結(jié)束語

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫高的問題是一個(gè)復(fù)雜的問題，需要從多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析和預(yù)防。通過優(yōu)化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選用高質(zhì)量齒輪油、加強(qiáng)齒輪箱維護(hù)和完善自動(dòng)化控制系統(tǒng)等措施，可以有效地降低齒輪箱油溫，提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

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