风电事故分析

xx风力发电股份有限公司
风机失效分析技术报告
一、概述
xx风力发电股份有限公司的Nordex N43型风机是由国外进口的风力发电机,其3片风叶组的直径为43米，满负荷时的风轮转速为27。

2 rpm.齿轮箱由德国制造，输出转速为转速1500 rpm。

发电机的功率为600kw。

机组2000年投产,累计运行时间为20000余小时。

图1为风机系统工作简图。

图1：风机系统工作简图
风机系统主要由风轮、传动轴、齿轮箱、刹车盘、发电机等组成,齿轮箱其一端与风轮低速轴相接,另一端通过联轴节与发电机转子相连。

工作时，首先由风轮旋转带动低速轴转动,齿轮箱将风轮的较低转速放大到1500 rpm左右的高转速，传递给发电机转子,从而使发电机转子转动发电.
xx风力发电股份有限公司的一台编号为B06号的Nordex N43风机发生严重故障，齿轮箱低速轴在靠近齿轮箱的变径处发生断裂，齿轮箱移位、齿轮箱地脚螺栓全部断裂。

受xx风力发电股份有限公司委托，对Nordex N43风机事故进行原因分析,确定断裂性质,查找断裂原因，为保障机组的安全运行提供依据。

二、事故现场调查
风机损坏情况非常严重。

图2为齿轮箱损坏情况图，低速轴在与齿轮箱相连的变径处断裂，轴侧轴承、端盖破碎。

各种传感器及连线损坏，内部供油管折断。

图2：齿轮箱损坏情况
图3为齿轮箱地脚螺栓损坏情况。

齿轮箱向左前侧（在风叶侧面向电机)移位，两侧地脚螺栓全部被拉断,其中左侧螺栓被震飞；齿轮箱被向后推移出20厘米左右。

另外，发电机地脚螺栓垫片有一定程度的拱起，电机弹性支撑受拉向上变形，右侧较严重，联轴节扭曲。

图3:齿轮箱地脚螺栓损坏情况
三、宏观断口分析
图4为低速轴断口宏观形貌，断口处于低速轴变径位置的圆弧转角处。

图4：低速轴断口宏观形貌
对低速轴断口进行宏观检查，发现宏观断口呈结晶状，具有金属光泽,有明显的结晶颗粒.断口周围没有明显的塑性变形，粗糙度较小。

断面上未发现较大的缩孔、夹杂等缺陷。

根据断口的特征及取向,可将整个断口大致分为的两个区域Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅰ区占大部断面圆周,断口有金属光泽,占断口截面的90％,是开裂和扩展区；Ⅱ区位于圆周外围10％区域，有剪切唇,是由于承载不够而快速断裂,属于瞬断区，这部分断口占整个断口的面积较小，断口表面有起伏。

断口形貌是断裂过程的记录,形貌的差异反映材料的断裂类型和形成方式不同。

同一种材料会因应力、温度、环境等条件的变化，韧性、脆性断裂行为也会发生变化。

如果断口在断裂前有大量的
塑性变形,断口就会呈纤维状，断口颜色为暗黑色。

而低速轴断口呈光亮的结晶状，没有明显的塑性变形，这说明低速轴断裂前受到极大瞬时扭矩的作用，是在受到较大载荷作用下的瞬间断裂；加之部件尺寸较大,限制了塑性变形区的发展，较低的温度又使材料一定程度上脆化，所以在断裂后的断口上未留下显著的塑性变形痕迹，而呈光亮的结晶状。

由于大厚工件受到周围材料的约束，沿厚度方向不能自由变形,相对来说不容易出现屈服，塑性区也就比较小。

所以最先开裂的区域一般表现为较光滑的脆断形貌。

当裂纹扩展到一定程度后，应力已大于工件剩余截面的承受能力，形成断裂,此时的断面，表现为粗糙的塑性断面。

齿轮箱地脚螺栓断裂面有塑性变形，可断定不是疲劳断裂，而是所受载荷超过材料强度极限，从而导致断裂。

四、力学计算
系统受力情况如图5所示。

系统的主要驱动力来自风机叶轮转动，通过低速轴传向齿轮箱，再经高速轴传到发电机.低速轴由两个主轴承支撑，消除了X向，Y向，Z向移动和X向，Z向转动5个自由度，只剩余Y向绕轴线转动自由度；这也就决定了主轴只能向齿轮箱传递扭矩,不能传递其它力，也就是说，造成损坏的主要原因只能来自风机叶轮传递的巨大扭矩.
转子的受力情况。

转子在运行中主要承受以下三种应力：
1、传递功率产生的扭转应力;
2、转子自重产生的交变弯曲应力;
3、温度梯度和形变约束产生的热应力。

前二者产生高周疲劳，后者产生低周疲劳。

4．1 扭矩
低速轴扭矩： M
1＝9549N／n
1
=9549×600／27.2＝210640 N。

m
式中：n
1
为低速轴转速 27。

2 rpm， N为功率600Kw
高速轴扭矩： M
2＝9549N／n
2
＝3820 N。

m
式中：n
2
为转速1500 rpm， N为功率600Kw
因M 1／M 2＝n 2 ／n 1＝55.15，即M 1〉〉M 2，所以高速轴扭矩可忽略不计。

图5：系统受力图
4．2 螺栓拉力
当齿轮箱内部卡住成一整体时,这时齿轮箱可作为一个刚性部件考虑，满足如下两个关系式：
F 1＋
G ＝F 2
M 1≈（F 1＋F 2）L ／2
式中：F 1,F 2分别为两侧地脚螺栓受力
L 为两地脚螺栓孔距，取L ≈1.5m G 为齿轮箱自重
因而： F 1≈M 1／L －G ／2
＝210640／1.5－41000／2＝119927 N
F 1侧受拉,F 2侧受压，正常工况下，F 1应远小于地脚螺栓抗拉力.
五、故障原因分析
5．1 刚体转动微分方程
按照刚体动力学的理论，当齿轮箱中某一部件突然卡死时，产生的瞬时扭矩远大于工作扭矩，原因如下:
')(1
M F m dt d I n
i i z ==∑=ω 式中：d ω为角速度的变化率 dt 为时间的变化率
I 为系统的转动惯量，I ＝∫r 2
dm
M 1为刚体产生的瞬时冲击扭矩的代数和
由上式可以看出：
（1)系统的转动惯量主要由叶轮的转动惯量组成。

当齿轮箱卡死时,在很短的时间dt 内，转速ω急剧下降，此时角加速度ε＝d ω／d t 很大，转动惯量I 为定值,两者相乘得到的瞬时扭矩 M 1远远超过工作扭矩M 1。

转速ω急剧下降的时间越快,产生的瞬时扭矩 M 1越大.
（2）由于地脚螺栓受到的瞬时拉力 F 11= M 1／L －G ／2,就会造成F 11远大于正常工况F 1的情况,超过螺栓的强度极限,引起螺栓断裂。

(3）瞬时扭矩 M 1〉〉低速轴正常工作扭矩M 1，当超过低速轴的强度极限时,就会瞬间以极大的速度使低速传动轴断裂。

（4）当齿轮箱发生严重卡死时，地脚螺栓受到的瞬时应力将会远远大于紧急停车时的应力。

地脚螺栓设计未考虑齿轮箱卡死的情况，螺栓的安全系数选取过小,这是螺栓断裂的内因。

5．2 失效过程分析
通过查阅运行日志和有关资料，排除了运行中操作的原因和系统振动以及地脚螺栓松脱的造成损坏的可能性。

任何一个断裂过程都是由局部到整体的发展过程，本质上是裂纹的生成和扩展过程。

从分析的结果看，推断故障发生的主要原因是：在齿轮箱到电机的传动链中，某一环节发生抱死或卡死,由于风轮的巨大转动惯性的驱动,瞬间产生了强大瞬时扭矩，超过齿轮箱左侧地脚螺栓抗拉极限，造成地脚螺栓断裂，齿轮箱移位，由此引发连锁反应，形成了严重故障。

不排除低速轴先断，由于断裂面不平而产生的轴向推力剪断螺栓的可能性;当然，螺栓先断的可能性更大一些。

发生卡死的部位应在齿轮箱内。

在卡死发生后，断裂应分为四个过程:
首先，瞬时扭矩拉断最薄弱的左侧地脚螺栓,齿轮箱向上抬起，导致右侧螺栓断裂;
然后，在超过轴的承载能力的瞬时扭矩作用下，低速轴由于承载不够而断裂，端盖、轴承被击碎；
再后，低速轴断裂产生的轴向推力和齿轮箱右侧支撑产生的反弹力作用下,齿轮箱向左后侧移位;
最后，通过联轴节牵拉电机，导致电机弹性支撑变形。

这一切都在极短的时间内完成。

六、结论与建议
(1) 低速轴断口呈光亮的结晶状，没有明显的塑性变形.低速轴受到了极大的瞬时扭矩作用,产生瞬时断裂；
（2) 齿轮箱地脚螺栓断裂面有塑性变形,可断定不是疲劳断裂，而是所受载荷超过材料强度极限，从而导致地脚螺栓断裂；
(3）当齿轮箱中某一部件突然卡死时,产生了远大于工作扭矩的瞬时扭矩;
（4）根据4。

2力学计算知,地脚螺栓设计未考虑齿轮箱卡死的情况,螺栓的安全系数选取过小，这是螺栓断裂的内因,属设计问题，是系统的薄弱环节。

因齿轮箱只有四个螺栓固定，发生故障情况下固定力矩明显不足，应考虑采取改造措施加强地脚螺栓的固定，提高安全系数，防止齿轮箱移位破坏发电机；
（5）加强巡视,如发现齿轮箱有异常情况时，应及时停机检修；
(6) 对于齿轮箱低速轴、叶轮、齿轮这类高速转动部件，在使用前及机组检修期间，建议要做检查，以便及早发现缺陷，避免设备损坏事故发生，减少经济损失；
(7) 建议针对齿轮箱的卡死问题，继续做进一步的深入研究。

七、参考文献。