风电机组检测与控制课程设计报告

风电机组检测与控制课程设计指导书

河北工业大学

风能与动力工程系

一、设计目的

风电机组齿轮箱是双馈型风力发电机组的重要组成部分，是机组中的能量传递机构。齿轮箱的可靠性直接影响了风力发电机组的正常运行。随着国内政策对清洁能源大力支持，特别是对风能发电应用技术的开发，风电机组的单机容量越来越大，因此齿轮箱的稳定性、故障分析和可靠性研究成为了风力发电领域的一个重要环节。而在风电机组运行过程中，对齿轮箱进行在线监测和定期维护至关重要。

根据所学知识，通过文献检索，针对齿轮箱进行在线状态监测和维护相关内容进行设计。

二、设计内容

1、齿轮箱常见故障及原因分析；

2、齿轮箱在线状态监测；

3、齿轮箱维护。

三、时间安排

2015年1月19日交纸质版

四、要求

1、字数要求：5000字左右；

2、报告格式参考“课程设计格式要求”；

3、2-3名同学一组。

风电机组检测与控制

课程设计报告

设计题目：关于风电机组齿轮箱的研究姓名：

时间：2015年1月10日

目录

1系统概论 (1)

2 齿轮箱常见故障及原因分析 (4)

2.1 断齿 (4)

2.2 点蚀 (4)

2.3 齿面胶合 (4)

2.4.齿根疲劳裂纹 (5)

2.5 齿面接触疲劳 (5)

2.6 轴承损坏 (5)

2.7 断轴 (6)

3、齿轮箱在线状态监测 (7)

4 风力发电机组齿轮箱的维护 (9)

4 结束语 (11)

1 系统概述

1．1 齿轮箱的发展概况

面对当前不可再生能源短缺的境况，许多国家都致力于发展清洁能源，主要有风能、太阳能等，但规模最大的是风力发电。随着风力发电技术的日趋成熟，市场的逐步扩大，风力发电已成为增长最快的可再生能源之一，并具备了与常规能源竞争的能力。而风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。风机增速齿轮箱作为风力发电机组的配套产品，是风力发电机组中一个重要的机械传动部件，它的功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电，它的研究和开发是风电技术的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向发展。在风力发电机组出现的故障中齿轮箱的损坏率在机组部件中最高的由于风力发电机的组装在风电场，齿轮箱受变载荷、强阵风的冲击，环境温度变化较大，齿轮箱故障所占比重较大。随着风力机组的不断升级，风力发电机容量的增大，齿轮箱故障所带来的损失越来越大发生故障是不可避免的若出现故障，对发电机组带来的影响很大，维修也非常困难。所以齿轮箱故障诊断的研究是非常必要的。目前，主要有三种风力发电机，一种依靠齿轮箱增速的双馈异步风力发电机，一种是永磁直驱风力发电机组，第三种是半直驱风力发电机，第一种的生产技术较为成熟，而 1且在风电场中是主流机型，使用较多的机型。双馈感应发电机所加装的电力电子变流器的功率占风力机组的 30，虽然没有了齿轮箱，风力机的故障发生率以及维护成本都大幅下降，但为了将直驱风力发电机组联接电网，要给它加装一个全功率的电力电子变流器，而变流器的价格非常高，增加了发电成本。鉴于以上两个原因风电机组齿轮箱故障研究有重要现实意义。

1.2风力发电机组齿轮箱的介绍

1.2.1风力发电机组齿轮箱的结构及作用

齿轮箱风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动如图 2-1 为齿轮箱剖面结构，图 2-2 为风机齿轮箱的内部结构. 图2-3为齿轮箱外部结构。

图2-1

图2-2

图2-3

1.2.2齿轮箱的工作过程

风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。

1.3风电机组中齿轮箱的工作概况

环境条件恶劣：

风大、砂尘、盐雾、潮湿、高温、严寒

工作条件复杂：

风速风向多变、强阵风、高空无人值守

要求高可靠性、高效率、高安全性

要求工作寿命长：

二十年（175200小时）

输入输出速比大

加工制造要求高

2 齿轮箱常见故障及原因分析

齿轮箱零部件一般包含有齿轮、滚动轴承和轴，而且在这三类主要零部件失效时产生的故障通常会互相影响，所以分析齿轮、滚动轴承和轴的主要失效形式对齿轮箱故障诊断具有重要的意义。通常齿轮投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，会产生各种形式的失效，致使齿轮失去正常功能而失效。失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，常见的齿轮失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。

2.1 断齿

根据裂纹扩展的情况和断齿原因断齿包括过载折断（包括冲击折断）疲劳折断以及随机断裂等断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。疲劳折断发生从危险截面的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力造成瞬时折断，其根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用。故障原因：主要是材料选用不当，齿轮精度过低，热处理裂纹，磨削烧伤，齿根应力集中，过载等等。处理方式：因此在设计时需要考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，正确选用材料和齿轮精度，充分保证加工精度消除应力集中集中因素等等。

2.2 点蚀

齿轮箱中的相互接触的齿在交变的接触应力多次反复作用下，在齿面接线附近，会出现若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生锲挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而行成麻点状凹坑，形成齿面疲劳叫点蚀。产生原因有：齿面硬度低和过载以及载荷不均造成的相互接触的地方锲挤作用过大造成的。处理方式：防止失效的措施是提高齿面硬度和采用正角度变位传动和选择好材质提高润滑油的粘度。

2.3 齿面胶合

故障原因：胶合是相啮合齿面在啮合处的边界膜受到破坏，导致接触齿面金