引言

随着风力发电机组的广泛使用，风力发电机的故障逐渐引起了人们的关注。近年来，由于风力发电机组单机容量的不断增加和风力发电机组运行时间的逐渐积累，齿轮箱故障或损坏造成的机组停机事件时有发生，造成非常严重的直接损失和间接损失，维修人员投入维修工作的工作量也在增加。因此，有必要研究风力发电齿轮箱的常见故障形式。通过建立动力学模型和数据驱动方法，分析预测风力发电机齿轮箱的运行状态，并提出相应的对策和建议。

一、风机齿轮箱结构及振动特性

（1）齿轮室的应力

风机轴承的正常运行需要大量的负荷，主要是由于润滑油粘度过高，轴承产生的热应力过大，导致轴承损坏。因此，对风机齿轮室进行了优化设计，以降低轴承温度。风机齿轮室主要包括主、副齿轮室、主轴、轴承、主轴承等部件。其主要功能是将润滑油从主齿轮泵送到高速齿轮箱，带动轴承旋转。主齿轮箱采用密封装置和连接板固定方式，主齿轮由两个半圆孔密封，由多个螺栓紧固。装配传动装置时，应先安装轴承箱内的进油口、止回阀和密封装置。如果密封不严格，会导致轴向力，导致传动不灵活或传动扭矩减小。由于轴向力和径向力会使摩擦片接触磨损变形，造成齿轮室变形损坏，同时也会使齿轮室内部产生共振现象。因此，本文提出了相应的预防措施。齿轮室的轴颈和端盖上增加了可调节的减震垫，在装配过程中采取了一系列措施，改善了齿轮体的整体应力，降低了轴承温度。齿轮室本身的质量和结构重量在设计和制造中的合理运用是关键。由于齿轮盖内孔和孔隙是间隙分布最均匀、最容易影响传动精度的地方，因此在设计中应特别注意孔隙结构是否合理，尺寸是否符合要求，导致轴弯曲或负荷异常，影响其正常工作。此外，由于轴承在正常运行中与齿轮片的接触位置会受到外部环境的影响，容易导致轴承运行状态不稳定或故障，造成严重问题，如不及时处理，会影响机械运行安全和机组运行稳定性。

（2）齿轮室的振动特性

齿轮室振动特性是风机运行过程中的一个重要参数，与电机的速度、负荷等参数密切相关，电机能否在额定速度下稳定运行。由于传动效率高、结构紧凑，风机齿轮箱给用户带来了极大的便利，但也有其固有的缺点。本实验证明，低速工况下风机齿轮箱的振动特性不稳定，响应随机性大。齿轮室疲劳失效引起的振动现象是由振动位移、扭转力等因素引起的。齿轮室齿形在不同的转速下具有不同的动态性能。一般来说，其结构和工作条件与运行条件密切相关。因此，当齿轮与轴转速相同时，齿轮室与轴之间没有间隙时，就没有轴向力和径向力。当传动比增大时，轴向扭矩逐渐增大；相反，轴之间的向力逐渐减小，随着轴转速的增加，扭矩逐渐减小，导致齿轮室振动急剧增大。齿轮箱在不同速度下，在工作过程中会产生不同程度的振动，甚至出现异常工况，齿轮箱在使用过程中会损坏[3];在高速运行下，齿轮室因负荷变形而剧烈变形扭曲，在高速状态下会产生更大的压力；导致轴承故障和振动，损坏齿轮室表面、轴承、齿轮等关键部件；并可能出现轴向、径向偏心运行等不良现象（偏心距小于1.5）mm）而且存在安全隐患；如果不及时处理，也会造成整机停机问题。因此，提高风机的安全性和可靠性会影响风机的正常运行。因此，在本文的设计中，根据上述情况提出预防措施，建立相应的安全技术模型，供以后的试验、使用、分析和预测，避免齿轮机运行过程中的危险事故后果。因此，在设计和制造时要充分考虑安全运行因素，尽量减少振动危害。发生故障时，应采取措施使其安全运行。

二、齿轮箱系统动力学分析

(1)润滑油粘度及其损耗模型

随着齿轮箱润滑油粘度的增加，在给定的润滑条件下会逐渐变得粘稠，产生结垢，降低润滑性能，因此需要根据润滑油粘度计算润滑油耗。根据公式计算润滑油粘度的相对滑动摩擦公式，即:公式中V为润滑油流动阻力系数；K为润滑油体积(质量);g是空气密度；w是摩擦系数。根据公式，当润滑油粘度为0.6时，摩擦系数较小，轴承为摩擦副；油粘度随时间增加而降低；摩擦系数随时间增加；因此，润滑油在使用过程中产生的损失是润滑损失，而不是润滑剂成本。对于润滑油，其粘度和循环润滑时间是根据润滑油中脂肪颗粒的数量、粘度、流速等因素确定的。正常情况下，润滑油从油箱中加入后流出油箱时产生的能量是其损耗的主要来源之一；当达到一定值时，会导致粘度衰减、压力、摩擦损耗和传热；如果润滑油粘度发生变化，摩擦系数就会发生变化。

(2)电机转速

对于风机齿轮箱，启动状态下的振动响应特征主要是噪声和振动加速度信号。风机齿轮箱油粘度的变化与电机转速密切相关。因此，油粘度作为计算电机转速和轴承温度的参数，可以直接反映风机传动系统故障的振动特性和状态。为了降低轴承温度对风机齿轮箱轴系动力学性能的影响，首先选择润滑油粘度小、齿盘啮合面积大的轴承座作为计算模型。齿盘啮合时，齿盘摩擦系数大小；为减少轴承座内径孔径较大时轴承滚动阻力较大，导致齿轮热疲劳；运行过程中轴承内部温度急剧升高；此时，由于高温，齿圈内的油蒸发导致润滑不良，导致轴承座变形甚至开裂失效。因此，轴承温度的升高会导致齿轮箱损坏。同时，润滑油粘度的增加和齿盘孔内径的增加会增加润滑阻力，影响摩擦面间隙，进而产生摩擦。因此，为了防止风机齿轮箱轴系在运行过程中出现异常发热现象。因此，为了提高轴承温度，需要清洁主轴齿盘上的油封，降低摩擦系数，可以有效降低轴承的高温和加热现象。在轴承温度升高初期，采用油膜法温度检测，确定轴承温度是否升高，风机运行是否正常。但在运行过程中，如果轴承座内径未达到正常值，轴承温度较高，可能会出现高温停机现象，即轴承报废现象，对轴承和齿轮箱造成损坏。因此，需要提前计算轴承温度，以判断轴承温升是否正常。因此，采取合理的轴承润滑是防止齿轮箱异常振动的重要措施之一。可以看出，在实际运行过程中，电机转速平稳，但轴承温度明显升高。为了降低轴承温度与轴承温度之间的振动响应特性，如果轴承温度超过正常值，会加速其损坏，缩短轴承寿命；如果在异常情况下不及时采取措施，齿轮箱轴系统在运行过程中温度升高，导致内部部件损坏和高速运行。

(3)轴承温度

轴承温度在一定范围内可以表示为运行条件下轴承温度的变化趋势。对于风机齿轮箱，由于风机齿轮箱结构复杂，与风机叶片关系较大，轴承温度也是一个非常重要的参数。轴承与叶片之间的间隙是多少，而不考虑轴承温升因素？轴承温度在一定值范围内波动，不影响风机的正常运行。如果轴承温度限制或超过此范围，损坏现象将加速。因此，一旦轴承温度超过规定时间，风机齿轮箱就会出现异常现象。因此，应采取相应措施防止风机齿轮箱轴承温度超标的损坏。为了提高轴承温度的波动范围，应尽可能降低轴承温度对风机齿轮箱系统的不利影响，而不是加速损坏。