文 | 王志勇,黎康康,符嘉靖,閆鑫
基于某風(fēng)電齒輪箱高速軸故障的分析研究
文 | 王志勇,黎康康,符嘉靖,閆鑫
齒輪、軸承等旋轉(zhuǎn)部件作為風(fēng)電齒輪箱中的關(guān)鍵零部件,對使用工況、潤滑狀態(tài)及內(nèi)部清潔度等有著極高的要求,上述因素有任何改變或異常,都將對這些零部件的使用造成極大的影響,甚至導(dǎo)致齒輪或軸承失效,給整機(jī)廠商及風(fēng)電場業(yè)主帶來巨大損失。
對于已經(jīng)成熟應(yīng)用的風(fēng)電齒輪箱來說,也時不時地會遇到一些重大故障,而引起故障的原因則可能僅僅是因為一些認(rèn)識上的不足而導(dǎo)致的應(yīng)用不當(dāng),使齒輪箱的使用工況發(fā)生了微妙的變化。本文通過對一例風(fēng)電齒輪箱高速軸故障的分析,找出了引起該故障的原因。對比風(fēng)電齒輪箱在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各類情況,發(fā)現(xiàn)了存在類似情況的兩種應(yīng)用現(xiàn)象,通過分析找出了潛在風(fēng)險并提出了規(guī)避的預(yù)防措施,為現(xiàn)場應(yīng)用提供了參考。
某型號風(fēng)電齒輪箱在客戶總裝后進(jìn)行全功率測試,其中一臺在試驗初期系統(tǒng)尚未加載時就發(fā)生了高速軸軸承高溫異常,并伴隨有異響的情況。經(jīng)拆解檢查,發(fā)現(xiàn)高速軸上風(fēng)向軸承已嚴(yán)重受損,如圖1所示,其他未見異常。
根據(jù)該風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)、該受損軸承的安裝位置及運轉(zhuǎn)受力情況可知,在正常工況下,該高速軸在斜齒的嚙合下旋轉(zhuǎn),其將受到軸向力,此時,下風(fēng)向圓錐軸承將受到軸向推力與該軸的軸向力平衡,為主要承載軸承,上風(fēng)向圓錐軸承成為非主要承載軸承。該起故障的受損部件為非主要承載軸承,非常罕見。
該齒輪箱的使用過程,僅經(jīng)歷了全功率試驗,為搞清該起故障的真正原因,遂對該齒輪箱的試驗過程進(jìn)行了全面的調(diào)查。
經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),該齒輪箱在試驗過程中,曾出現(xiàn)了因設(shè)備故障而調(diào)整電機(jī)的啟動順序的現(xiàn)象,其他過程沒有異常。遂對該過程進(jìn)行了認(rèn)真的研究。
而調(diào)整電機(jī)的啟動順序,對于采用背對背電封閉的試驗臺來講,因系統(tǒng)兩側(cè)的電機(jī)及配置基本對稱,理論上是完全可行的,并且在實際試驗中也被大量應(yīng)用。風(fēng)電齒輪箱的加載試驗臺大多都是這種配型,其在試驗中是可以隨意進(jìn)行啟動順序的調(diào)整的。
全功率試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示,其在結(jié)構(gòu)上與標(biāo)準(zhǔn)的背對背電封閉試驗臺又存在一定的不同。在電機(jī)二和齒輪箱二間設(shè)置拖動電機(jī),為試驗臺提供初始轉(zhuǎn)速,在轉(zhuǎn)速達(dá)到1400rpm之后電機(jī)二并網(wǎng),繼續(xù)提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,此時,拖動電機(jī)斷電隨系統(tǒng)一起空轉(zhuǎn)。電機(jī)一則根據(jù)試驗的具體要求進(jìn)行是否并網(wǎng)動作,最終完成空載或加載試驗。拖動電機(jī)的存在,打破了背對背加載試驗臺的對稱關(guān)系。
分析該齒輪箱的試驗過程可知:
一、正常的電機(jī)啟動順序下
該試驗過程,初始為拖動電機(jī)拖動齒輪箱二,由齒輪箱二再拖動齒輪箱一進(jìn)行旋轉(zhuǎn),之后電機(jī)二并網(wǎng),轉(zhuǎn)為電機(jī)二拖動齒輪箱二,依然是齒輪箱二拖動齒輪箱一一起旋轉(zhuǎn)。整改過程的齒輪箱受力方向一致,不存在異常受力情況。
二、調(diào)整電機(jī)啟動順序后
該試驗過程,初始為拖動電機(jī)帶動齒輪箱二,由齒輪箱二再拖動齒輪箱一進(jìn)行旋轉(zhuǎn),之后電機(jī)一并網(wǎng),開始由電機(jī)一拖動齒輪箱一旋轉(zhuǎn),并由齒輪箱一拖動齒輪箱二一起旋轉(zhuǎn),該過程發(fā)生了齒輪箱受力的突然反向,異常受力的情況由此發(fā)生。
由于電機(jī)一的并網(wǎng)導(dǎo)致了齒輪箱的受力突然反向,此時,最早受到?jīng)_擊的,必然是高速軸。
齒輪箱受力發(fā)生突然反向,齒輪箱內(nèi)部的齒輪必然發(fā)生了受力接觸齒面的變更,即由一側(cè)齒面接觸變更為另一側(cè)齒面接觸。因該齒輪箱的齒輪均為斜齒,必然也導(dǎo)致了齒輪軸的軸向力發(fā)生反向。
當(dāng)高速軸的軸向力發(fā)生反向時,該齒輪軸上的軸承受力情況也隨之發(fā)生了突變,即上風(fēng)向軸承由非主要承載狀態(tài)突然變?yōu)槌休d狀態(tài),而此時系統(tǒng)及軸承都還在高速旋轉(zhuǎn)(1400rpm),且運行時間不久,尚無達(dá)到溫度平衡狀態(tài),因此,該高速軸的這對軸承游隙仍未正值,即存在一定的軸向間隙。對上風(fēng)向軸承而言,在受力發(fā)生變更前,其滾子、保持架處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)(非主要承載狀態(tài)),軸承的滾子與內(nèi)外圈滾道沒有完全接觸;在受力狀態(tài)突然發(fā)生反向時,其滾子、保持架將在高轉(zhuǎn)速情況下突然與軸承的內(nèi)外圈完全接觸并受載,變?yōu)槌休d狀態(tài),同時,又由于軸承存在正游隙,其必將發(fā)生軸向的竄動,滾子、保持架存在無法復(fù)位或復(fù)位不良的可能,并可能產(chǎn)生滾道或滾子的損傷,進(jìn)而引起軸承的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)及異常摩擦,引起軸承迅速發(fā)熱,最終導(dǎo)致軸承溫度過高,使?jié)L子、保持架相互咬合,引發(fā)故障。
通過對故障原因的分析,可基本認(rèn)定導(dǎo)致該起高速軸故障的最大可能就是試驗過程中的電機(jī)啟動順序變更導(dǎo)致的高速軸受力方向發(fā)生突然反向。該過程引發(fā)了軸承受損,并最終導(dǎo)致了故障的發(fā)生。
風(fēng)電齒輪箱作為一個重要的傳動部件,其設(shè)計經(jīng)過了嚴(yán)格的計算,為防止其受到?jīng)_擊時損壞而預(yù)留了較大的安全裕度,當(dāng)其受力突然反向時,即使沖擊力不大,還是造成了如此大的損傷,有些讓人難以接受。然而,科學(xué)的分析又讓我們不得不承認(rèn),如果是不當(dāng)操作,哪怕很小,后果都可能極其嚴(yán)重。
既然齒輪箱受力突然反向可引發(fā)如此嚴(yán)重的后果,由此聯(lián)想到了風(fēng)電齒輪箱的整個試驗過程及使用過程,是否還存在類似的操作或隱患,應(yīng)該如何預(yù)防,需要引起大家的足夠重視。
一、本文所提試驗過程的電機(jī)啟動順序變更
分析過程不再累述。如何預(yù)防?
方法一,禁止電機(jī)的啟動順序變更。這是最直接、最簡單的方法,投入也最小。但還是存在一定的安全隱患,比如誤操作,且限制了試驗臺的靈活性,無法隨意調(diào)整主陪試齒輪箱。建議通過完善硬件或軟件的方式,設(shè)置防誤操作的功能,徹底杜絕該類問題的發(fā)生。
方法二,改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu),取消拖動電機(jī),直接由電機(jī)二進(jìn)行連接,此時,無論用電機(jī)一還是電機(jī)二拖動,另一只電機(jī)只需加載即可,不會再出現(xiàn)齒輪箱受力反向的情況。該方法比較徹底,效果最好。
二、調(diào)試或應(yīng)用以及運轉(zhuǎn)過程中制動盤制動
由于系統(tǒng)傳動鏈較長,受系統(tǒng)剛度及齒輪側(cè)隙等影響,在高速軸被抱死停止轉(zhuǎn)動之后的一段時間內(nèi),將會出現(xiàn)葉輪及齒輪箱內(nèi)的整個傳動鏈發(fā)生劇烈的正反向沖擊,該過程必然會伴隨多次齒輪、軸承的正反向受力變化,對齒輪、尤其是軸承將造成極大的損傷。
預(yù)防措施一,在運轉(zhuǎn)過程中,尤其是在高速狀態(tài)下,要禁止直接進(jìn)行制動盤制動。該方式也比較直接,但靈活性較差。
預(yù)防措施二,通過軟硬件的方式,設(shè)定制動策略,禁止將齒輪箱一次性制動至靜止?fàn)顟B(tài),而是要在齒輪箱轉(zhuǎn)速降低至很低時,在高速軸靜止前再將制動盤釋放,由齒輪箱自由停機(jī),杜絕出現(xiàn)齒輪箱受力突然反向的情況。該方式實現(xiàn)
過程較為繁瑣,成本較高,但最有效果,可完全規(guī)避緊急制動對齒輪箱造成的傷害,取消風(fēng)電齒輪箱對緊急制動次數(shù)的限制。
三、風(fēng)輪鎖銷未完全鎖緊狀態(tài)下的停機(jī)
由于風(fēng)輪鎖銷未完全鎖緊,風(fēng)輪仍可在小范圍內(nèi)進(jìn)行輕微轉(zhuǎn)動,在風(fēng)力的作用下,風(fēng)輪將與風(fēng)輪鎖銷發(fā)生撞擊、回彈。由于風(fēng)電齒輪箱的傳動比較大,風(fēng)輪的輕微轉(zhuǎn)動,將導(dǎo)致后部輪系的大角度轉(zhuǎn)動,風(fēng)輪的撞擊、回彈,導(dǎo)致輪系的頻繁正反向旋轉(zhuǎn),也必然導(dǎo)致軸承頻繁的受力突然反向,對軸承造成較大的損傷。
預(yù)防措施,就是如果需要鎖上風(fēng)輪鎖銷,則務(wù)必將其完全鎖緊,防止風(fēng)輪出現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)動。
風(fēng)電齒輪箱,作為風(fēng)電機(jī)組中的重要傳動部件,與其內(nèi)部的軸承、齒輪等重要傳動零件,對使用工況、操作步驟及所處的狀態(tài)都有極高的要求。本文通過對一起高速軸應(yīng)用故障展開分析,發(fā)現(xiàn)引起該故障的原因,僅僅是因為認(rèn)識上的一個錯誤而導(dǎo)致的應(yīng)用不當(dāng)。由此展開類比分析,發(fā)現(xiàn)類似的應(yīng)用不當(dāng),還存在于多種場合,需要引起同行的足夠注意。
由于齒輪箱受力的突然反向,對齒輪尤其是軸承的傷害極大,同時,因該傷害發(fā)生在齒輪箱的內(nèi)部,不易察覺,往往會被忽視,而一旦傷害達(dá)到一定程度被發(fā)覺時,往往已造成了較大的損失。因此,需要同行在應(yīng)用過程中,嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作,同時,對各類故障進(jìn)行認(rèn)真分析,找到引起故障的根源,并做到舉一反三,查找是否還存在其他類似的潛在故障,進(jìn)行有針對性地改進(jìn)及預(yù)防,消除潛在隱患,提高系統(tǒng)整體的應(yīng)用安全性及可靠性。
(作者單位:王志勇,黎康康,符嘉靖:中戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司;閆鑫:中車戚墅堰機(jī)車有限公司)