海装3.xMW风机齿轮箱液压弹性支撑故障研究及改进措施

摘要：风力发电作为一种清洁永续的能源利用方式，无燃料成本，发电成本低。目前，直驱式永磁同步风力发电机是风力发电技术中最具有潜能的一个发展方向，为了节约土地，国家要求开发企业安装大功率风力发电机。直驱永磁同步发电机受制于永磁体制作工艺复杂，体积大，防护等级低，运行年久后存在消磁现象，且大功率永磁同步发电机存在公路运输难度大等问题，各风机制造商逐渐向半直驱和双馈异步风力发电机方向发展。现就主要针对海装3.xMW双馈异步风力发电机齿轮箱液压弹性支撑故障问题进行分析并提出改进措施。

关键词：风力发电;海装3.xMW风机;弹性支撑;改进措施

液压式齿轮箱弹性支撑主要用于主传动链四点支撑系统中，在保证低约束刚度的同时，降低齿轮箱的结构噪音，可获得更高的扭转刚度，承载更大的扭转载荷，并且其扭转刚度还可根据风机机型大小和承载要求进行相应调整，从而大大拓宽了该种减振的应用范围。

橡胶垫是齿轮箱弹性支撑中最重要的部分，也是薄弱环节，起着吸收齿轮箱各种冲击，衰减及吸收齿轮箱振动载荷及噪声的功能。3.xMW齿轮箱弹性支撑是通过高压软管交叉相连，通过防冻液与橡胶垫的联合作用的液体复合弹簧总成。

一、齿轮箱弹性支撑主要组成及工作机理

1、主要组成部件

液压式齿轮箱弹性支撑主要由缸体、橡胶垫、复合弹簧、连接管路、防冻液等部分组成。

2、液压弹性支撑工作机理

3.xMW机组齿轮箱液压弹性支撑安装于齿轮箱两侧的扭转臂上，主要承受齿轮箱的扭转载荷，齿轮箱两侧的液体复合弹簧通过高压软管交叉相连，通过防冻液与橡胶体的联合作用来吸收齿轮箱的各种冲击，能衰减及吸收齿轮箱的振动载荷及噪声。

双轴承机组齿轮箱弹性支撑的安装结构为并联式结构，上弹性体形变 h1，对扭力臂作用力为 F1，下方弹性体形变 h2，对扭力臂作用力为 F2，安装后两个力大小相等。当工作变形小于或等于预压缩量时（h3

可得组队后的弹性支撑刚度为K?= K1?+ K2?

结合理论分析，液压弹性支撑的等效扭转刚度为K=K1+K2+K3

其中， K1 为单件元件中充液后液压腔部分的刚度

K2 为单件元件中橡胶板簧部分的刚度

K1+K2 为充液后扭转等效刚度

K3 为组对产品中上橡胶部分刚度，近似未充液单橡胶件刚度

液压弹性支撑系统中橡胶主簧部分贡献的刚度相对较小（不充液时橡胶体组合刚度60kN/N.m，冲液后达到 300kN/N.m），在橡胶垫内腔进行充液后橡胶垫扭转刚度将主要由内腔中被压缩的液体提供。

图1为弹性支撑工作状态原理图。

二、故障原因分析

3.xMW机组铁科齿轮箱液压弹性支撑橡胶垫在运行近一年时间出现橡胶垫裂纹、鼓包故障。主要原因有以下几方面：

1、弹性支撑质量问题

（1）新装弹性支撑会经历一段时间的磨合期，在这段时间内弹性支撑腔体在腔体内部压力和扭力臂外部压力的共同左右下，腔体会增大一部分。此时，由于注液量一定，液压管路压力会适当下降。但是，待腔体稳定后，弹性支撑管路压力将保持稳定，再次补液后，可以稳定运行。

但从铁科新装机弹性支撑压降来看，初次注液前10天，58#、64#机组压力由125bar下降到75bar，100#机组下降至65bar。下降幅度为初次注液压力的40%-48%。此时，弹性支撑压力在此状态下，整体刚度已经低于设计刚度的下限值。弹性支撑已经开始在低刚度下运行。在注液10-20天，补液至额定压力值后，仍然有20%左右的压降，待到按照铁科要求的补液时间（初次注液后三个月）补液时，橡胶垫已经产生损伤。

（2）当弹性支撑橡胶垫在初期低压下被较长时间压缩后，受载侧橡胶垫出现永久变形，同侧上下橡胶垫形成高度差，此高度差无法通过重新补液来消除，进而导致受载侧橡胶垫高度越压越低，最终出现裂纹、鼓包故障。

（3）弹性支撑橡胶垫的损坏主要是动态载荷下的疲劳损坏，铁科弹性支撑橡胶垫直径小，腔体小，但是注液压力高，腔体变形大，压降速度快，这会导致橡胶垫在齿轮箱扭力臂动态载荷作用下，抗疲劳性能较差，在较长时间运行后，橡胶垫达到疲劳极限，会在极短时间内出现故障。

2、安装维护问题

在铁科弹性支撑安装运行的前期，由于压力下降过快，弹性支撑整体刚度已经降至设计刚度下限。现场在机组运行半年以上才进行第一次补液，此时，弹性支撑橡胶垫已经产生累积损伤。由于弹性支撑在机组运行过程中始终会压缩受载侧橡胶垫，橡胶垫在低刚度下持续被压缩，已产生永久变形，补液后无法回弹至初始安装高度。在此过程中，由于橡胶垫严重变形，内部腔体膜出现破裂损坏，导致弹性支撑无法保压。

3、机组控制问题

对于京能苏尼特项目117#机组齿轮箱弹性支撑压溃造成联轴器和齿轮箱故障，对机组iBox运行数据进行分析，均存在异常频率干扰机组正常控制。依据经验，该频率由变流器带来。该异常频率的存在，大大增加了弹性支撑的应力幅和循环次数，在弹性支撑液压低的情况下，弹性支撑橡胶垫被压溃。

三、故障分析结论

1、铁科对自身弹性支撑没有系统的认识，试验验证不充分，注液后内部腔体膨胀过大，导致弹性支撑短期压降超出预期，造成弹性支撑在前期就产生了不可逆的损伤。

2、弹性支撑前期由于压降过快，在低压下运行较长时间，导致弹性支撑受载侧橡胶垫压缩至永久变形，同侧橡胶垫形成高度差，且后期补液无法消除此高度差，导致弹性支撑使用寿命缩短。

3、铁科弹性支撑橡胶垫直径小，注液压力高，压降速度快，导致橡胶墊抗疲劳性能差，在齿轮箱扭力臂动态载荷的作用下，橡胶垫在为达到设计的循环次数时，就已经提前失效了。

四、对于液压弹性支撑故障的改进措施

1、对装有铁科齿轮箱弹性支撑的3.xMW机组，为了防止后续出现大规模批量问题，建议更换齿轮箱弹性支撑，备选厂家为株洲时代。

2、现场组织进行株洲时代齿轮箱弹性支撑橡胶垫状态（同侧橡胶垫高度差、橡胶垫是否有鼓包）进行检查，对于出现鼓包的橡胶垫，立刻停机更换。

3、对于株洲时代同侧橡胶垫高度差远大于2mm的弹性支撑，观察橡胶垫是否发生损伤。若存在单个橡胶垫高度小于137mm（或者大于等于149mm），则更换整组橡胶垫。

4、复查弹性支撑液压系统压力值并对压力低于标准压力下限的弹性支撑进行补液（见株洲时代弹性支撑注液温度曲线），补液过程严格遵守弹性支撑注水流程和工艺。

5、对3.xMW机组iBox运行数据进行分析，判断是否存在干扰机组正常控制的频率存在，若存在，及时处理。

6、考虑在弹性支撑上装配压力表（压力传感器），用来监测液压弹性支撑压力值。

结束语：

通过对风力发电机组液压弹性支撑损坏故障问题分析，得出故障主要是弹性支撑自身问题引发，弹性支撑橡胶垫直径小，注液压力高，压降速度快，导致橡胶垫抗疲劳性能差，在齿轮箱扭力臂持续动态载荷的作用下，橡胶垫在未达到设计的循环次数时，就已经提前失效了，后期建议更换为株洲时代的同型号产品。

参考文献：

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[2] 李慧新， 吕杏梅， 王靛，等. 弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析[J]. 动力学与控制学报， 2015.

[3] 曹军， 王虹富， 邱家驹. 变速恒频双馈风电机组频率控制策略[J]. 电力系统自动化， 2009， 33（13）：78-82.

作者简介：王有发（1981-）男，内蒙古呼和浩特人，学历：本科，工程师，研究方向：电力工程