風電齒輪箱潤滑狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)開發(fā)
2020-02-21 楊鵬
（中廣核新能源控股公司吉林分公司）
摘 要：我國的風力發(fā)電機組主要布置在偏遠山區(qū)，環(huán)境較為惡劣，而且還有部分風力發(fā)電機組在高原、海上等，受到高強度風的沖擊，可極易引發(fā)故障。本文主要針對風電齒輪箱潤滑系統(tǒng)進行研究，提出當前風電齒輪箱潤滑狀態(tài)運行存在的問題，針對問題提出裝填監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計方案，給出硬件和軟件設計，并分析其功能。
【關鍵詞】 風電齒輪箱；潤滑狀態(tài)；故障診斷系統(tǒng)；風力發(fā)電機組
1.風電齒輪箱
風電齒輪箱作為風力發(fā)電機組中的重要組成部件，能夠?qū)崿F(xiàn)動力傳遞，將風能轉(zhuǎn)化為機械能并將動力傳遞給發(fā)電機獲得相應轉(zhuǎn)速。在風力的作用下，發(fā)電機組能夠獲得一定的動力，但是風輪的轉(zhuǎn)速往往很低，不能滿足發(fā)電機發(fā)電要求，因此需要在風力發(fā)電機組中配備相應的齒輪箱來實現(xiàn)增速，提高風能利用率。根據(jù)風力發(fā)電機組運行的實際要求進行不同設置，對于傳動軸（大軸）和齒輪箱既可以合為一體也可以分開進行布置，在兩者之間還往往通過聯(lián)軸節(jié)進行連接。在風力發(fā)電機組中還往往在齒輪箱的輸入/出端配備相應的剎車裝置來實現(xiàn)風力發(fā)電機組的制動能力。配合葉尖制動（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統(tǒng)進行聯(lián)合制動。
2.風電齒輪箱潤滑常見故障及原因分析
2.1潤滑油黏度變化
對于風力發(fā)電機組而言，基本上每天都在運行進行發(fā)電工作。由于工作時間較長、負載較大，會導致油溫升高出現(xiàn)氧化情況，而氧化會產(chǎn)生油泥沉積物等物質(zhì)，這些物質(zhì)會使得潤滑油的粘度先下降后上升，潤滑肉的承載能力下降明顯，對于齒輪箱中的各個部件而言，沒有很好的潤滑會產(chǎn)生較大磨損，引發(fā)故障。而且潤滑油的粘度增大，使用中油溫和油壓均會出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，出現(xiàn)齒面膠合等現(xiàn)象，甚至嚴重情況下會引發(fā)軸承受熱變形。
2.2齒輪油水分影響
對于風力發(fā)電機組而言往往在海島等地區(qū)進行工作，另外還在荒漠等地區(qū)這些地區(qū)的溫度往往較低，如果不能及時的更換齒輪箱中的空氣，長期下來就會導致水分的沉積。而水分是影響齒輪箱潤滑油質(zhì)量的一個關鍵因素之一，如果水分含量過大會導致齒輪箱的油發(fā)生乳化，齒輪件極易出現(xiàn)銹蝕問題。
2.3氧化因素
由于風力發(fā)電機組長時間工作，潤滑油也會長時間使用。而長時間的運行必然導致油溫升高，油會出現(xiàn)氧化問題，而且在運行中還會由于各種不可控因素導致污染產(chǎn)生，最終導致潤滑油的氧化程度升高，性能會隨之下降，在齒輪箱當中產(chǎn)生酸性物質(zhì)，對于齒輪箱中的各個部件而言會產(chǎn)生嚴重腐蝕，對于濾芯以及各個配件而言會產(chǎn)生不同程度的損耗。
2.4磨損檢測
對于齒輪運行而言，通過漸開線接觸的方式進行嚙合，這種運行方式下齒輪不會發(fā)生相對滑動。在齒輪箱中引入潤滑油主要是潤滑齒輪，保證齒輪發(fā)生比較小的磨損。在風力發(fā)電機組的運行中必須關注異常磨損問題，卡阻異常會導致異常磨損更加嚴重。潤滑油快速發(fā)黑并且在齒輪箱中有鐵屑的時候應該考慮異?？ㄗ鑶栴}，異常磨損往往與油膜無法有效建立相關；磨屑增多及滑油粘度異常也有關聯(lián)關系，另外是滑油變性，或水分等腐蝕齒輪的成分增大時，也會出現(xiàn)齒輪磨損增大。
3.風電齒輪箱潤滑狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計
3.1硬件系統(tǒng)設計及構(gòu)成
對于風力發(fā)電機組的潤滑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)而言，必須要有相應的系統(tǒng)硬件進行支持。整個監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳感器來進行信息的采集，并由變送器來進行信息傳遞，另外還有數(shù)采模塊以及工控機通信線路協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)最終功能。
3.1.1傳感器
在風力發(fā)電機的齒輪箱中，往往涉及到多個參數(shù)以及變量的監(jiān)控，針對不同的參數(shù)以及變量需要采用不同的傳感器倆進行采集，傳感器型號的選擇如表1所示。
3.1.2溫度變送器
前面提出油溫是影響并反映齒輪箱潤滑狀態(tài)的重要參數(shù)，因此必須要對油溫進行監(jiān)控。在本設計中采用Pt100溫度傳感器來進行油溫采集，這一溫度傳感器主要通過內(nèi)部電阻值變化來反映溫度變化值。另外還在系統(tǒng)中引入SBWZ-2280變送器，提供整個系統(tǒng)的變送電路支持。
3.1.3數(shù)采模塊
在該系統(tǒng)當中引入了COMWAYWRC-616來提供測控，這控制系統(tǒng)集成模擬和數(shù)字信號采集、過程IO控制和無線數(shù)據(jù)通道等功能。采用壓力傳感器與變送器的繼承模塊HAD4XX4-A來進行系統(tǒng)控制。對于系統(tǒng)中的油壓以及溫度模塊而言，還往往采用兩線制電流輸出的接線方式；對于整個系統(tǒng)中的振動模塊而言，往往采用三線制的連接方式。數(shù)采模塊通過RS485串口輸出接入到整個系統(tǒng)當中，另外還通過RS485-To-RS232轉(zhuǎn)換串口接入到工控機串口當中。為實現(xiàn)其功能還在系統(tǒng)中引入遠程通訊模塊，能夠通過智能手機實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和外部的通訊。
3.1.4工控PC機
在系統(tǒng)中采用工控PC機來進行中心處理與控制，通過數(shù)據(jù)分析與控制能夠判別系統(tǒng)故障問題。對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析一旦對比出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會給出故障反饋信息，并將故障反饋信息傳遞給用戶，給出提示和警報。
3.2軟件系統(tǒng)設計
軟件系統(tǒng)是保證整個系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控和故障監(jiān)測功能的重要構(gòu)成部分。軟件系統(tǒng)能夠不斷的對采集傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)進行分析，通過連續(xù)分析來判斷齒輪箱潤滑油運行狀況，并判斷故障，軟件系統(tǒng)程序設計如圖1所示。首先，在軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中引入系統(tǒng)運行的標準值，包括振動、壓力、溫度等，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫當中進行存儲，并進行數(shù)據(jù)和標準值的比對判斷是否存在故障。如果對比發(fā)現(xiàn)故障或者潛在故障會對數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲，并通過軟件系統(tǒng)進行反饋給用戶故障警告。
3.3系統(tǒng)潤滑狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能實現(xiàn)
3.3.1高速軸承溫度
在整個系統(tǒng)中會對高速軸承的溫度進行監(jiān)測，當溫度超過80℃之后，系統(tǒng)會給出警告，并給出處理措施，開啟冷卻系統(tǒng)對高速軸承進行處理，冷卻高速軸承讓其溫度降低，一般要求降低到70℃以下。
3.3.2潤滑系統(tǒng)油壓
對于風力發(fā)電機齒輪箱的油壓而言，其正常范圍一般在1.0-1.6kPa的范圍內(nèi)，一旦超出該范圍潤滑系統(tǒng)就表明出現(xiàn)故障，同樣會給出處理措施，打開安全閥門或者是開啟冷卻系統(tǒng)來調(diào)節(jié)油壓。通過臨時調(diào)節(jié)措施不能保證油壓在正常范圍的話，需要及時停機進行故障處理。
3.3.3潤滑系統(tǒng)油溫
對于風力發(fā)電機組的齒輪箱油溫而言，需要保證油溫在10-70℃的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)檢測到油溫如果低于10℃的時候系統(tǒng)會給出處理措施，啟動電加熱器來加熱潤滑油，保證其在正常范圍內(nèi)。另外當油溫高于60℃的時候系統(tǒng)會開啟冷卻系統(tǒng)進行處理，冷卻潤滑油讓其在正常溫度范圍內(nèi)。如果系統(tǒng)檢測到潤滑油油溫超過70℃的時候，系統(tǒng)會直接停機避免引發(fā)更大的事故，并及時分析原因處理故障。
3.3.4潤滑系統(tǒng)油位
通過軟件系統(tǒng)設計圖能夠發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中還對潤滑油的油位進行實時監(jiān)測。一旦監(jiān)測到油位低于正常范圍的時候，系統(tǒng)會直接開啟油液油閥，給齒輪箱添加潤滑油保證正常的油位。在這一過程中還必須要考慮經(jīng)濟型和有效性，合理科學進行控制。
4.結(jié)論
對于風力電機組運行而言，潤滑系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)的運行質(zhì)量。本文主要針對潤滑油運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，提出了研究方案，希望能夠進行監(jiān)控，了解齒輪箱潤滑油的運行狀態(tài)，進行合理控制和調(diào)節(jié)，提高齒輪箱運行質(zhì)量，降低故障。
來源：《電子世界》2019年第4期
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