1 引言
風電齒輪箱作為風機的核心部件之一，其潤滑系統(tǒng)對整個發(fā)電機組的工作狀況及使用壽命起到至關重要的作用[1-3]。風力發(fā)電機中不同部件故障占故障總數(shù)的百分比如圖1.1所示，其中，潤滑系統(tǒng)的失效占風機失效類型的13.0%。因此，有效保證潤滑系統(tǒng)各部件的正常工作，是風機運維中的重要環(huán)節(jié)。在對某風場1.5MW風機的監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)其監(jiān)測系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)入口處油壓過低的報警，經過風電場現(xiàn)場咨詢勘查及技術分析，準備對主齒輪箱潤滑系統(tǒng)機械泵進行電氣化改進。
圖1.1 風力發(fā)電機不同部位故障比例
2 潤滑系統(tǒng)的組成
潤滑系統(tǒng)指的是向機械設備或設備組的摩擦點供送潤滑劑的系統(tǒng)，包括用以輸送、分配、調節(jié)、冷卻和精華潤滑劑以及指示、報警和監(jiān)控潤滑壓力、流量和溫度等參數(shù)的整套裝置。在風力發(fā)電機的潤滑中，潤滑部位包括主軸承部分的潤滑、齒輪箱部分的潤滑、電機部分的潤滑、偏航部分的潤滑、變槳部分的潤滑。其中，風力發(fā)電機的主要潤滑部分是齒輪箱。其潤滑系統(tǒng)主要由球閥、電動泵組、機械泵、組合式油液污染控制元件、冷卻器、壓力傳感器、功能閥組和軟管組成其中，電動泵組、組合式油液污染控制元件和功能閥組集成與一體，機械泵安裝與齒輪箱上，風冷卻器通過軟管串接于系統(tǒng)中。齒輪箱運行前由電動泵提供潤滑油至齒輪箱各個潤滑點，齒輪運行后開始驅動機械泵，此時潤滑系統(tǒng)由電動泵和機械泵同時供油。
3 油壓低的原因
3.1 潤滑系統(tǒng)管路泄露或堵塞
當齒輪箱中的潤滑油系統(tǒng)存在著冷油器的泄漏或者是潤滑油系統(tǒng)的堵塞問題時，如果不及時地進行處理，必定會引起潤滑油壓過低的問題。
3.2 油箱油位過低
如果齒輪箱潤滑系統(tǒng)油位過低，則會大大縮短系統(tǒng)回油時在油箱內的停留時間，容易導致油中所含有的水和空氣無法有效地排除。此外，油箱油位過低還會讓潤滑系統(tǒng)吸入口無法有效地浸入油面，從而加大了泵中的空氣含量，空氣會在設備的運行過程中逐漸進入到主油泵，進而導致主油泵出口油壓過低的問題。經現(xiàn)場檢查，未發(fā)現(xiàn)油位低于標準油位的狀況。
3.3 機械泵正常工作異常
風電齒輪箱設計機械泵是為了在電動泵不工作的情況下，繼續(xù)對齒輪箱各潤滑部位(主要是軸承、齒面嚙合)進行供油，減小軸承和齒輪件的磨損，以提高齒輪箱的壽命。但是隨著齒輪箱長時間的運行，機械泵出現(xiàn)故障的頻次也不斷增加，以致更換機械泵。機械泵出現(xiàn)的故障主要包括振動噪音偏大、機械泵不抽油、溫度過高等。經現(xiàn)場檢查，機械泵在運行過程中噪音偏大。拆解后，機械泵齒輪箱存在嚴重磨損(如圖2)。
圖3.1 機械泵齒輪磨損
以上結果表明，該齒輪箱潤滑系統(tǒng)入口油壓低是由機械泵齒輪的磨損引起的，為此，對主齒輪箱潤滑系統(tǒng)機械泵進行電氣化改進。要求在改造完成后輔助潤滑系統(tǒng)作為齒輪主潤滑系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，應能輔助提供穩(wěn)定的潤滑冷卻油壓，保證齒輪箱潤滑系統(tǒng)正常工作，并且新增電動潤滑泵應能接受風機主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)風機待機或運行的不同狀態(tài)，執(zhí)行相應的運行工作流程。潤滑系統(tǒng)應能在出現(xiàn)故障時自動停機保護，并能即時反饋到風機主控中顯示報警信息。
4 改進方案
4.1 油路部分方案
根據(jù)前期方案比選，考慮現(xiàn)場實際尺寸空間及后期維護操作等情況，更換機械齒輪泵為電動油泵，實現(xiàn)風機啟動即持續(xù)供油的可控模式，與原電動泵一同工作，保證齒輪箱足夠的潤滑油量油壓。電動機與油泵為內置連接，滿足安裝空間尺寸和原設計油量要求。
新電機型號: REP-MDK25-D15功率1.5kw 6極，新油泵排量25升/分。
基本原理圖如圖4.1：
圖4.1 齒輪箱電氣化改造原理圖
4.2 電氣部分方案
根據(jù)潤滑系統(tǒng)計算選型，電動泵電機功率1.5kW，三相，400V△-690VY接法，額定電流3.2A。
分析目前風機機組齒輪箱潤滑泵工作控制情況，錄波如圖示，可以看出在齒輪箱處于低轉速(<200rpm)情況下，電動泵處于間斷工作模式，啟動約3min-停止2min。而在齒輪箱高轉速情況(>200rpm)情況下，電動泵連續(xù)工作。
這種工作模式跟原有齒輪泵工作模式基本一致，兩者在正常發(fā)電情況下處于同時啟停狀態(tài)。為簡化新電動泵控制電路，盡量減少對原有風機主控電路進行變更和操作，所以在本次技改中將新增電動泵和原齒輪箱電動泵并聯(lián)控制，同時啟停。
4.3 技改接線方案
考慮到原風機控制柜內預留部分冗余控制電路，實際并未安裝，所以可以在主控柜內原有控制電路的基礎上進行調整，用作新加電動泵的控制電路。
具體如下：
1.電動泵現(xiàn)場配線(4x1.5mm²，從齒輪箱電動泵接入風機主控柜，接線端子X1，要求做好防護，并在通電前測量接地電阻和絕緣電阻。
2.油泵電機接地連接。
3.斷開原冗余控制電路繼電器到主控模塊DO 509的連接。
4.將繼電器控制線圈接入主控模塊DO 513。
5.更換原電動機斷路器，替換為GV2-ME08C(原有輔助觸點繼續(xù)使用)。
6.更換原有指示標簽為“齒輪箱油泵2”
7.替換相關電路圖。
8.通電試運行，檢查相序和電流、電壓。
9.做好相關記錄。
5 電氣改進過程
5.1 基本施工流程
停機確認→排油盛裝→原機械齒輪泵拆除→原齒輪箱孔洞使用新端蓋封堵→集成電動泵安裝固定(利用原孔洞地腳及端蓋支架，吸排油管選用原軟管)→管路連接→ 電路及控制線路連接加注潤滑油→試車前檢查清理→試車
5.2 改進工藝步驟
5.2.1 停機確認
按風場及風機技術要求選擇適合天氣停機確認，鎖定風輪鎖。
5.2.2 排油盛裝
清潔齒輪箱檢查口，打開齒輪箱目視檢查潤滑油。如無異常，使用準備好同牌號的清潔空油桶排油。
5.2.3 機械泵及管路拆卸
準備好接油盤放置在機械泵下方，拆下機械齒輪泵所連接的油管，根據(jù)情況確定是否還需電動泵排油。拆下機械泵聯(lián)軸器法蘭盤四根M8螺栓，機械泵及膠管口用清潔抹布包好，螺栓妥善放置。機械泵及油管位置如下圖1。
圖1 機械泵位置
圖2 端蓋支架
5.2.4 集成電機泵安裝
使用新的端蓋支架(如圖2)，上好密封圈，用原四根M8聯(lián)軸器法蘭螺栓固定，下支腿一端連接到原有齒輪箱端蓋(如圖3)，另一端固定到新電機支架上，固定方法如圖4。
圖3 已有端蓋
圖4 新電動泵固定方式示意圖
5.2.5 管路連接
檢查連接新膠管，使用清洗劑清理干凈接口，并檢查吸油排油管螺栓緊固后。
5.2.6 電路及控制線路連接
按電氣線路及控制線路見齒輪箱技改方案(電氣部分)要求接線。
圖5 柜內電氣接線
5.2.7 加注潤滑油
使用手動或電動濾油車加注已抽出的潤滑油，檢查油位，根據(jù)情況是否補充加注。
5.2.8 檢查清理
檢查管路螺栓緊固，齒輪箱檢查口內無異常，電路及控制線路接線無誤，清理工具及新舊抹布，確認無誤后，通電準備測試。
6 結論
某1.5MW風機經過電氣化改造最終效果如圖6.1所示，
圖6.1 電氣化改造后的齒輪箱
隨后對改造的系統(tǒng)進行實驗，單機測試新電動泵運行不小于15分鐘，待壓力穩(wěn)定后觀察潤滑系統(tǒng)壓力并記錄，工作正常。與原電動泵聯(lián)動測試運行，不小于15分鐘，待壓力穩(wěn)定后觀察潤滑系統(tǒng)壓力并記錄。運行正常后解除鎖定通知業(yè)主，啟動風機，注意觀察齒輪箱運行各項參數(shù)(如圖6.2)。與改造前的齒輪箱各項參數(shù)(如圖6.3)對比，齒輪箱入口壓力由0.5bar提高到1.5bar，壓力提高了3倍，有效解決了齒輪箱入口壓力低的問題。
圖6.2 改造后風機及油壓狀況
圖6.3 改造前風機及油壓狀況
以上結果表明，改造非常成功，即解決了齒輪箱入口油壓低的問題，新增電動潤滑泵又能接受風機主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)風機待機或運行的不同狀態(tài)，執(zhí)行相應的運行工作流程，提高了風機齒輪箱的智能化成都，同時提高了潤滑系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時自動停機保護能力，能即時反饋到風機主控中顯示報警信息。
參考文獻：
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[2]、李廣偉,趙登利,于良峰.風電齒輪箱潤滑系統(tǒng)故障分析及解決方案[J].風能,2015(11):90-92.
[3]、米林,秦甲磊,譚偉,吳旋.某風電齒輪箱運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2012,26(08):26-30.
作者簡介：
馬世明，現(xiàn)任寧夏銀星能源股份有限公司檢修檢測基地營銷副總經理，兼任中國礦業(yè)大學銀川學院和北方民族大學機電系客座教授，主管風電、煤炭、火電、鋁加工行業(yè)后市場檢修檢測市場營銷業(yè)務，尤其在齒輪箱減速器的設計制造及檢修維護方面有豐富的工作經驗。
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