風(fēng)機(jī)齒輪箱油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

潘波，孫亮亮

（甘肅中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司，甘肅酒泉，735000）

1 風(fēng)機(jī)齒輪故障類型及原因

齒輪箱制造不具備穩(wěn)定的工藝技術(shù)，易造成齒輪箱工況無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直接影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輪齒難以受力均勻，甚至發(fā)生斷齒問(wèn)題；即便正確安裝，齒輪箱也無(wú)法徹底解決磨損問(wèn)題。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障涉及齒輪故障、軸承故障、箱體及緊固件故障，軸故障、油系統(tǒng)故障，其中失效比例最大的是齒輪故障。

表1 齒輪故障及故障機(jī)理

2 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段

2.1 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是借采集數(shù)據(jù)或監(jiān)控系統(tǒng)，或利用傳感器不間斷獲取風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)數(shù)據(jù)，以時(shí)域與頻域系統(tǒng)了解振動(dòng)加速信號(hào)，從而找出發(fā)生故障的零部件位置，以判斷故障類型。當(dāng)前，很多方法都可以分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，初步產(chǎn)生過(guò)了成熟的診斷故障技術(shù)。

2.2 油液在線監(jiān)測(cè)

在線油液監(jiān)測(cè)是指系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行中，在線傳感器與性能指標(biāo)科學(xué)整合，順利實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)。根據(jù)潤(rùn)滑油改變參數(shù)的原則，客觀評(píng)估系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)格診斷系統(tǒng)或設(shè)備的故障部件，更好實(shí)行維護(hù)與修理，降低事故發(fā)生概率。

2.3 風(fēng)機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在運(yùn)行中出現(xiàn)了齒面斷裂、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕等故障。齒輪箱常見(jiàn)的故障類型比例見(jiàn)表2所示。

表2 齒輪箱常見(jiàn)故障類型比例

3 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)容

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)包括潤(rùn)滑油的理化性能與磨損顆粒分析。

3.1 油液的理化性能分析

油液品質(zhì)通過(guò)粘度實(shí)現(xiàn)衡量，潤(rùn)滑油膜在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中發(fā)揮了抗磨與減磨的作用，油液粘度過(guò)大或過(guò)小都難以正常發(fā)揮作用。因此，油品粘度代表了油品劣化的程度。油品發(fā)生嚴(yán)重氧化，相應(yīng)提高了粘度。油品因氧化形成的酸性物質(zhì)，需通過(guò)酸值評(píng)價(jià)氧化油品變質(zhì)的劣化情況。若齒輪箱油液總酸值增高，則會(huì)對(duì)油品的潤(rùn)滑度造成影響，加重齒輪箱的磨損。

3.2 磨損顆粒分析

機(jī)械設(shè)備應(yīng)用化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)異常情況，評(píng)估磨損類型；濃度含量分析可直接判斷機(jī)械設(shè)備磨損情況；尺寸大小對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損和類型發(fā)揮了決定性作用；設(shè)備的磨損機(jī)理容易被幾何形貌影響。

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損引發(fā)齒面裂紋，從而折斷輪齒，而在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)齒輪箱振動(dòng)，對(duì)這種長(zhǎng)期發(fā)揮作用，且不改變故障信號(hào)的磨損失效模式科學(xué)區(qū)別。對(duì)磨損帶來(lái)的固體顆粒物分析，特別是金屬顆粒有利于及時(shí)預(yù)警動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。磨損帶來(lái)的金屬顆粒有不同的直徑和種類，可以得到動(dòng)力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的豐富信息，通常這部分設(shè)備有復(fù)雜的構(gòu)造，運(yùn)行時(shí)可利用金屬顆粒判斷初期故障。

4 油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用─以磨粒監(jiān)測(cè)為例

4.1 技術(shù)概述

風(fēng)電齒輪箱磨損顆粒在線監(jiān)測(cè)是將傳感器置于齒輪箱潤(rùn)滑油回油管路上，有利于在線掌握零部件磨損顆粒的大小和數(shù)量，系統(tǒng)了解受損狀況。傳感器作為通流設(shè)備之一，安裝位置選在潤(rùn)滑油回油管路和油濾之間，保證潤(rùn)滑油順利通過(guò)。

圖1 風(fēng)電齒輪箱磨損顆粒在線檢測(cè)

磁場(chǎng)線圈利用激勵(lì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬磨損顆粒作用于磁場(chǎng)區(qū)域，這也是發(fā)生微弱擾動(dòng)的原因，傳感器線圈對(duì)外輸出能感應(yīng)磁場(chǎng)擾動(dòng)的信號(hào)。顆粒的尺寸與性質(zhì)主要借輸出信號(hào)的幅度與相位合理區(qū)別。聯(lián)基本理論知識(shí)，信號(hào)的幅度與鐵磁性金屬顆粒的直徑保持正比關(guān)系，其與非鐵磁性金屬顆粒的表面積保持正比關(guān)系。而非鐵磁性金屬顆粒的信號(hào)與鐵磁性形成反比關(guān)系，利用其對(duì)磨粒有效鑒別。金屬顆粒通過(guò)傳感器結(jié)合磁電原理完成檢測(cè)，且在風(fēng)機(jī)內(nèi)部科學(xué)解決若干問(wèn)題：

（1）風(fēng)電機(jī)組一般利用孔徑偏大的油管，設(shè)計(jì)通孔直徑分別是40mm、27mm，響應(yīng)超過(guò)了被檢測(cè)顆粒的尺寸。因此，有必要放大傳感器微弱信號(hào)的高增益，且對(duì)噪聲有效抑制。經(jīng)測(cè)算，增益倍數(shù)應(yīng)保持90dB，以便約束現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境形成的噪聲。而環(huán)境噪聲包括：最大振動(dòng)15g、最大油壓4MPa及風(fēng)機(jī)內(nèi)復(fù)雜的電磁干擾。上述環(huán)境條件可通過(guò)電路特殊處理，進(jìn)而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)科學(xué)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)不只影響了產(chǎn)品的機(jī)械功能，還整合了傳感器信號(hào)和噪聲抑制信號(hào)。

圖2 傳感器工作原理

（2）鐵磁與非鐵磁磨粒的獨(dú)立優(yōu)化檢測(cè)技術(shù)。鐵磁性金屬顆粒與非鐵磁金屬顆粒是基于交變磁場(chǎng)產(chǎn)生不一樣的干擾制度，二者互相約束，提高了鐵磁性顆粒的靈敏性，降低了非鐵磁性顆粒的靈敏性。故而，圍繞鐵磁與非鐵磁磨粒獨(dú)立優(yōu)化監(jiān)測(cè)方法十分關(guān)鍵，特別是其在風(fēng)機(jī)大管徑油路中應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)操作。本文采取對(duì)頻監(jiān)測(cè)解調(diào)技術(shù)，合理確定載波頻率，不只對(duì)鐵磁性金屬顆粒、非鐵磁性金屬顆粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還提高了靈敏性。

（3）基于環(huán)境的干擾，對(duì)真假顆粒信號(hào)的算法合理區(qū)別。對(duì)噪聲抑制技術(shù)科學(xué)應(yīng)用，環(huán)境干擾容易輸出假顆粒信號(hào)，只有合理設(shè)計(jì)對(duì)真假顆粒信號(hào)有效甄別的方式，才可以提高檢測(cè)水平。

圖3 傳感器信號(hào)處理流程

圖4 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)

一般風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)較偏遠(yuǎn)，容易被地理因素、風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)間距等限制，故有必要結(jié)合風(fēng)電齒輪箱磨損狀況，設(shè)計(jì)分布式測(cè)量的智能監(jiān)控系統(tǒng)。單一或幾臺(tái)風(fēng)機(jī)可采取低成本方式，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞至中央控制室。若上百臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)監(jiān)測(cè)，則設(shè)計(jì)更合理的方式。本文采取傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)建立智能監(jiān)控系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮單機(jī)的通信傳輸性能。風(fēng)電齒輪箱潤(rùn)滑油金屬在線監(jiān)測(cè)傳感器是1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，向中央控制室科學(xué)傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)有效整合有線、無(wú)線或基站。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳感器開發(fā)與集成油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依然重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)傳感器基本由實(shí)驗(yàn)室組織開發(fā)，很少實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，也無(wú)法結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)合理分析。而風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油液在線監(jiān)測(cè)可對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)有效輔助，故要對(duì)齒輪箱磨損與齒輪箱失效關(guān)系科學(xué)研究。