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摘要：南方城市某风场的3.6 MW齿轮箱，在运行初期出现了高速轴电机侧轴承温度临界和与叶片侧轴承温度差距超过设计要求的问题。为了降低因环境温度升高造成的温度报警甚至轴承烧损的风险，针对此实际问题，对齿轮箱结构和传感器选型进行分析和检查后，发现温差问题是由于温度传感器选型不合理导致温度测量不准引起的，更换温度传感器后温差问题得以解决。面对高速轴电机侧轴承温度临界问题，初期判断为高速轴轴承游隙过小所致，但在风场调整个别齿轮箱的高速轴游隙后问题并未得到明显改善。结合设计经验、查阅齿轮箱润滑系统设计文件、检查出厂试验数据，推断为高速轴电机侧轴承润滑油量不足原因所致，并设计台架试验证实了此原因，同时发现了此润滑点位的最佳油量。为了避免对其他润滑点位造成不良影响，对外部管路进行调整，将部分串联管路调整为并联管路，同时对润滑系统进行对比计算，得出最优整改方案。对风场齿轮箱进行整改后，经对运行数据进行监控对比，证实问题得以解决。
关键词：轴承；温度；润滑
0引言
随着我国“双碳战略”的深入推进，绿色能源的应用日益广泛。风能做为绿色能源的一种，近年来持续增长。风能产业中，装备的可靠性会极大的影响到发电功率和效率，尤其是风机传动链系统，由于研制周期、生产成本等因素影响，经常在运行初期会暴露出一些问题。在风机运行过程中会对传动链系统的主要参数进行实时监控，包括主要轴承的振动和温度、齿轮箱润滑油、环境温度以及运行功率、风速等参数。风电齿轮箱冷却系统的工作原理是通过循环冷却润滑油来保持齿轮箱的温度在可接受范围内，以确保齿轮和轴承等关键部件的正常运行。
南方城市某风场风机运行发电时实时监控发现某公司生产的6台齿轮箱高速轴轴承温度接近报警温度，而且高速轴叶片侧和电机侧轴承的温差超过设计要求。经对其齿轮箱及温度传感器选型进行检查后，发现温差问题是由温度传感器选型不合理导致的的，更换温度传感器后温差问题得以解决。但轴承温度临界问题初次判定为轴承游隙过小所致，在风场对个别齿轮箱进行游隙调整后问题未有明显改善。对比此批齿轮箱出厂试验记录，经进行进一步原因分析和验证，发现是由于高速轴电机侧润滑油量不足导致温度较高，为了降低风场整改的风险和成本，先在车间进行了台架试验验证，证实了方案的可行性，同时探索到最优润滑油量，为了防止局部油量增大后导致相邻润滑点位压力降低的风险，将附近的外部管路由串联改为并联，并进行了计算对比分析，发现与台架试验一致。之后制定了简易可行的整改方案，整改后，持续对风机相关参数进行监控，并选取当地气温较高时的运行数据进行对比，证实问题得以解决。
1发现问题
2023年3月，在南方城市某风场的3.6 MW齿轮箱高速轴轴承温度达到80.1℃且高速轴电机侧和叶片侧两个轴承温差较大，表1为当时获取的一定时间段的齿轮箱高速轴轴承温度数据。
从上表可以发现，6号齿轮箱轴承最大温度达到80.1℃,高速轴两个轴承的最大温差达到22.7℃。按照风机运行要求轴承温度85℃报警，根据设计要求最大温差不能超过15℃。
为了避免在更高气温时出现85℃温度报警的风险，我们对轴承温度和温差进行了分析，初步分析是高速轴轴承游隙和高速轴叶片侧轴承温度传感器长度不足造成的。在4月份，调整了高速轴叶片侧轴承温度传感器长度，使得温差有了明显改善，温差小于15℃。在5月下旬，对3号齿轮箱的高速轴的轴承游隙进行了调整，调整后通过对风机运行参数监控发现高速轴电机侧轴承温度未有明显改善。
2原因分析及验证
2.1原因分析
排除高速轴轴承游隙对温度的影响以后，结合设计经验、查阅齿轮箱润滑系统设计文件、检查出厂试验数据，对比此批齿轮箱出厂试验记录，经进行进一步原因分析和验证，为齿轮箱输出轴电机侧喷油油量不足造成温度稍微偏高。
风电齿轮箱润滑系统采用的是强制润滑的方式，系统压力是由负载决定的，负载是由喷嘴承接的。也就是说喷嘴喷孔直径的大小决定了润滑系统的压力，而润滑系统设计中考虑的主要参数是润滑油的粘度、压力和流量，润滑油的粘度是随着温度变化而变化的，而压力和流量是取决于润滑系统设计和泵的选型的。在润滑油泵选型确定后，润滑系统的理论总流量便确定了，影响各润滑点润滑油量的便是喷嘴喷孔直径。因此改变喷嘴的喷孔直径会影响到润滑系统的压力和流量分配。从局部来看，在压力一定时，喷孔直径越大流量越大。
3.6 MW齿轮箱润滑系统的主要结构为，由电泵和机械泵从油箱里抽取润滑油，经过滤器和散热器（达到一定温度后才经过散热器）后到齿轮箱分流阀块进行汇合和分流。按照润滑管路一般情况下分为一级润滑管路、二级润滑管路和三级润滑管路，其中三级润滑管路又分为中间级润滑管路和高速级润滑管路。调整高速轴叶片侧轴承喷嘴的喷孔直径可以达到调整此轴承润滑油量的目的。此处喷孔直径初始设计为Ф5.5 mm，增加此直径可以增加此处润滑油量，但可能会对整个系统的压力造成影响。
润滑管路分布中，在串联时喷嘴直径的差异对润滑油量的敏感性比在并联时的敏感性要高，尤其是对串联管路后段喷点的压力及此管路上各喷点的油量分配的影响较明显，因为管路越长压力损失越大会引起后端流量很小。
三级啮合位供油管路串联改并联后（图1~2），可以降低三级润滑管路的压力损失，提高相关喷油口的油量，尤其是后端润滑点位三级啮合共有口的压力和流量。同时也可以减轻管路串联排布导致的齿轮箱个体差异性的影响。
2.2试验验证
为了验证方案的有效性，降低风场整改的风险和成本。对整改方案在公司内的试验台上进行了台架试验验证。主要针对高速轴轴承喷嘴喷口直径和管路排布方式对轴承温度和压力的影响情况设计了试验方案，主要验证了采用改变高速轴电机侧喷嘴孔径以及部分三级油路排布从串联改为并联方式来改善高速轴电机侧轴承供油油量后，对温度和压力的影响。选取额定工况下的热平衡温度和压力进行对比，试验数据如表2所示：
试验结果显示：
增大高速轴电机侧轴承润滑油量可以明显降低此轴承温度T2，最优方案为方案3，温度降幅11.1℃;
方案3和方案4的T2温度差为0.2℃,很接近。但与方案5的温度差距稍大，为2.6℃。可见轴承润滑有个最佳油量，高速轴电机侧轴承在喷嘴Φ6.7 mm和Φ7.7 mm之间出现最佳油量，因此即使把喷嘴拆除（相当于Φ11 mm喷嘴）并未发现油温明显变化；
调整高速轴电机侧轴承喷嘴直径以及调整三级啮合位供油油路的排布方式（图1和图2）均可降低高速轴电机侧轴承温度，同时对其它轴承温度影响较小，均在5℃以内，而且最高温度为66.2℃,远低于报警温度；
高速轴电机侧轴承喷嘴直径变大后，跟其串联的三级啮合位喷油口的油压有明显降低；将三级啮合位的串联管路改为并联后，此处油压明显升高。
综合考虑加大高速轴润滑油量同时保证三级啮合位油压不会明显降低，最终选取方案4，因为高速轴电机侧轴承喷嘴是从外往里安装的，更换很容易，且将三级啮合位供油油路由串联调整为并联的方式，此处管路为外部管路，风场整改也比较容易实现。
2.3分析计算
为保证整改方案不影响齿轮箱一二级的润滑油量，针对各润滑点的油量进行计算评估。表3中列举了各润滑点的计算油量（单位为L/min）变化，针对三级啮合油路由串联调整为并联且调整高速轴电机侧喷嘴喷孔直径到Φ7.7 mm后，可优化局部管路的压力损失，提高三级啮合位的喷油口的压力，同时可见高速轴电机侧轴承供油油量明显增加，其余各点油量变化很小，不会影响一、二级润滑效果。
3整改措施
3.1整改方案
整改方案如图2所示。
（1）高速轴电机侧轴承喷嘴统一为Φ7.7 mm。
（2）将三级啮合位的喷油管路由串联改为并联，从分流阀块处单独供油。
（3）分流阀块去往中箱体的管路增加三通接头往三级啮合位供油。
3.2整改后运行情况
整改后，在运行过程中对齿轮箱温度继续进行实时监控，发现齿轮箱轴承温度明显降低，当地9月初环境温度达到当年最高温度，而且风力较好，风机可以达到满功率发电状态，选取9月2日的轴承温度数据进行对如表4所示。
从表中可以看出，齿轮箱运行时轴承温度比台架试验方案4稍高，最大温度差为7.4℃,分析原因是环境温度所致，台架试验是在北方城市的车间内进行的，环境温度20℃左右，而此南方城市风场9月份最高气温将近40℃,风机机舱内的温度更高。输出轴叶片侧和电机侧轴承最大温差均在10℃以内，轴承最高温度均在75℃以内，远低于报警温度。
4结束语
本文通过经验、理论、仿真、试验相结合的方法，针对某风场齿轮箱高速轴轴承温度临界以及温差问题，结合齿轮箱的设计结构，进行了探索研究并通过试验验证了相关方案，整改后问题全部解决。
通过试验和计算探索了风电齿轮箱润滑系统中油量变化对轴承温度的影响、局部油量变化对整体润滑油量的影响、润滑管路串联和并联对润滑点位压力的影响等内容，为风电齿轮箱轴承游隙设计、润滑系统设计以及轴承温度问题处理提供了丰富的参考经验。
从实际问题出发，结合设计经验，对问题进行分析、验证、判断影响、提出可行性整改方案，整改后进行监控，确认问题得以解决。为风电产品运行过程中的问题解决提供了一种思路。
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某风场风机齿轮箱输出轴轴承温度问题研究论文
人参与 2025-05-30 10:19:55 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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