風力發(fā)電機組傳動鏈故障分析

褚欣慰、石 揚

風力發(fā)電機組傳動鏈的動態(tài)性能直接關系到風電機組的壽命與結構安全。近年來，隨著風場事故頻發(fā)，分析機組傳動鏈系統(tǒng)的動態(tài)性能，變得越發(fā)重要，國內外認證機構對系統(tǒng)傳動鏈的性能研究也越來越深入。本文結合中國船級社質量認證公司開展的有關工作，給出了風機傳動鏈故障分析的通用方案，并對流程中各環(huán)節(jié)技術點進行了簡要的說明。

近年來，隨著裝機總量的增加，風場不斷發(fā)生機組事故，表明風電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了事故高發(fā)期。圖1給出了華北電力大學某課題組對1246臺在役風機2011 ～2012年間的故障統(tǒng)計情況[1]，從圖中可以看出，電氣子系統(tǒng)的故障次數(shù)較多，但這類故障修復容易，造成的系統(tǒng)停機時間相對較少。而就故障造成的累積停機時間和每次故障的平均維修時間來說，葉片、齒輪箱、發(fā)電機等幾大關鍵部件及風機的傳動系統(tǒng)的故障，依然是需要關注的重點。

針對這一情況，中國船級社質量認證公司旨在服務業(yè)主、整機廠及保險公司，通過多年來的技術儲備，并基于對行業(yè)的深刻了解，開展了一系列的風場事故分析業(yè)務，這其中就包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、變頻器、塔筒以及法蘭等部件的事故調查服務。今年來，該公司更是走在行業(yè)前沿，推出了風機傳動鏈故障分析的新業(yè)務。

故障分析流程

風機的傳動鏈系統(tǒng)通常是指葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機及彈性支撐等部件（本文主要針對雙饋機組的傳動形式進行說明，對于直驅型風機等其他傳動鏈形式機組，可根據(jù)實際情況進行調整）。對于傳動鏈系統(tǒng)，我們通常會關注它的動態(tài)特性，具體表現(xiàn)為振動、噪聲及共振問題。以這三個故障隱患為對象，本機構建立了一套通用且系統(tǒng)的調查方法，通過數(shù)值仿真和現(xiàn)場檢測兩種手段，診斷故障機理，定位問題元件，從而給出故障發(fā)生的原因及維護建議。具體方案流程如圖2所示。

數(shù)值仿真

數(shù)值仿真主要從風機的設計角度入手，借助多體動力學仿真軟件，進行傳動鏈的固有特性分析和動態(tài)響應分析，從而甄別傳動鏈的共振源，并判斷各部件的振動問題及噪聲大小。

總的來說，風機傳動鏈故障分析中的數(shù)值仿真工作主要包含以下

圖1 風電場故障停機數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 風機傳動鏈故障分析流程圖

步驟：

建立柔性多體系統(tǒng)動力學模型：數(shù)值仿真的原理是基于多體動力學，風機傳動鏈是由多個剛體和柔性體組成的系統(tǒng)，稱為柔性多體系統(tǒng)，其動力學微分方程為：

分析時，需要將復雜的風機傳動系統(tǒng)模型簡化成為等效的動力學模型，這首先需要確定傳動鏈系統(tǒng)的動力學拓撲圖，再輸入各部件的剛度、質量、慣性矩和阻尼值等參數(shù)，并通過力元連接各個部件，最終完成系統(tǒng)模型。

頻域分析：風機傳動鏈系統(tǒng)的頻域分析，是在對系統(tǒng)動力學精確建模的基礎上，進行模態(tài)計算，從而得到系統(tǒng)的固有頻率值及振型，系統(tǒng)固有頻率的理論計算公式為：

由于風力發(fā)電機組的工作轉速范圍廣，激勵頻率帶較寬，易發(fā)生共振，影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。因此，風機傳動鏈的頻域分析的目的就是對潛在的共振點進行篩選。通常這部分工作又順次分為三步：

1) 分別計算切入、額定、切出狀態(tài)下的傳動鏈系統(tǒng)模態(tài)；

2) 繪制能量分布圖，根據(jù)風機傳動鏈系統(tǒng)在不同模態(tài)頻率下的振型及模態(tài)能量分布特性，篩選出具有扭轉振型且模態(tài)能量分布中扭轉方向為主方向的固有頻率；

3) 繪制坎貝爾圖，根據(jù)篩選出的固有頻率及傳動鏈系統(tǒng)激勵頻率繪制出工作轉速范圍內的坎貝爾圖，交點即為傳動鏈系統(tǒng)的潛在共振點。

頻域分析的目的在于，對照風機傳動鏈系統(tǒng)的模態(tài)能量分布和坎貝爾圖，以此進行共振點的初步甄別。

時域分析：時域分析是在風機的整個工作轉速范圍內，對傳動鏈系統(tǒng)進行動態(tài)響應計算，得到系統(tǒng)的振動加速度和速度，從而進一步甄別共振點，并對評價系統(tǒng)的振動和噪聲問題。通常這部分工作順次分為五步：

1) 識別傳動鏈系統(tǒng)外部激勵和內部激勵，使風機在一個驅動力矩的作用下使之速度掃過切入和切出的整個區(qū)間，同時此驅動力矩要考慮風載的影響，即風剪切和塔影效應；

2) 扭矩掃頻響應分析，得到扭轉振動加速度和速度，從而繪制三維坎貝爾圖；

3) 定性共振點，為了最終確定頻域分析中甄別出的共振點是否存在共振危險，進一步對危險部件的扭轉振動加速度進行FFT變換，通過頻域和時域的分析綜合鑒別，在激勵源對應的危險頻率處是否有振動突然加劇的情況；

4) 評價振動水平，參照《NB/T 31004-2011 風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則》[3]，針對風機傳動鏈系統(tǒng)及各主要部件的振動加速度及速度進行評價；

5) 評價噪聲水平，風機傳動鏈系統(tǒng)的主要噪聲源為加速度噪聲，噪聲的理論計算公式為：

將響應計算所得的加速度頻域響應曲線進行1/3倍頻程處理，即得到各點加速度級結構噪聲的1/3倍頻程值。

仿真結果分析：通過以上數(shù)值仿真工作，對得到的仿真分析結果進行評價，可以揭示風力發(fā)電機組的運行狀況，判斷機組在工作過程中是否存在共振現(xiàn)象，系統(tǒng)是否存在振動過大問題，及是否產(chǎn)生較大噪聲，并對現(xiàn)場檢測工作提供參考。

現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測工作主要是評價目標風機的健康狀況，借助振動測試儀，進行傳動鏈的時域加速度信號采集，從而定位問題的部件。這部分工作可以參照《NB/T 31004-2011 風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則》[3]進行。通常包含以下步驟：

1) 確定測試位置，通過數(shù)值分析的結果基本可以定位風機傳動鏈系統(tǒng)振動較大的元件，而在故障情況下，也可能由于系統(tǒng)個別元件損壞造成系統(tǒng)振功異常。因此，測試點的布置以齒輪箱為主，同時兼顧傳動鏈其他部件，可選取齒輪箱扭力臂、主軸承座及發(fā)電機支撐處；

2) 設置寬帶，風機風輪系統(tǒng)的轉速較低，頻響范圍在低頻段，而傳動鏈系統(tǒng)的振動頻率主要集中在中高頻段，且頻率范圍較廣。因此，在測試工作中，需要對測試點的選取情況，參照數(shù)值分析的計算結果，設置合理的帶寬；

3) 執(zhí)行測試，測試前需要進行振動基準測試，由于風載的強隨機性，風機的運行情況較為復雜，因此，需要進行較長時間的傳動鏈系統(tǒng)檢測；

4) 數(shù)據(jù)分析，振動測試儀通常為加速度傳感器，選取風機長時間較為穩(wěn)定的工況下檢測采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過對加速度時域數(shù)據(jù)進行傅里葉變換等操作，可以得到振動、噪聲等參數(shù)的水平。再結合數(shù)值仿真計算的結果和各元件的固有頻率值，即可定位問題元件。

最后，結合數(shù)值仿真分析的結果和現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)，診斷出風機傳動鏈系統(tǒng)的問題部件，并給出造成系統(tǒng)故障的機理解釋，從而對風機的維修、檢查和維護措施給出建議。