風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障及信號(hào)分析技術(shù)綜述

劉亞昆，吳興偉

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生院;b.學(xué)報(bào)編輯部;遼寧沈陽(yáng)110136)

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來(lái)，以煤、石油和天然氣為代表的化石燃料已不再適合綠色生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要。隨著化石燃料的日益枯竭、環(huán)境壓力的不斷加大和人類環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，在發(fā)電領(lǐng)域用新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的必然之路。在眾多的新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電成為相對(duì)增長(zhǎng)較快的發(fā)電方式，展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景［1］。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類及構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)構(gòu)成的。其分類依據(jù)主要是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的方式，大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要分為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是國(guó)內(nèi)運(yùn)行數(shù)量最多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［2］，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖1所示。

風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、控制器及附屬設(shè)備組成。風(fēng)輪是獲取風(fēng)能的裝置，主要由葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)構(gòu)成;主軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一，其主要作用是將轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的風(fēng)能傳遞至齒輪箱;齒輪箱的作用就是增速，利用低速機(jī)械帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪箱的高速軸通過(guò)聯(lián)軸器直接與發(fā)電機(jī)相連，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。

發(fā)電機(jī)部分由發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備構(gòu)成，安裝在塔筒支撐的機(jī)艙內(nèi)，其主要功能是把傳入其中的機(jī)械能變?yōu)殡娔?，然后通過(guò)逆變器調(diào)節(jié)后并入電網(wǎng)。

圖1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障類型及特征

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理是通過(guò)葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過(guò)傳動(dòng)鏈將機(jī)械能傳遞到發(fā)電機(jī)并轉(zhuǎn)換為電能。葉片、輪毅、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)組和滾動(dòng)軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈的主要零部件，正常安裝且對(duì)中良好的水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其振動(dòng)是非常小的。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)或噪音增強(qiáng)的情況，就預(yù)示著某個(gè)部位出現(xiàn)故障。作為我國(guó)目前風(fēng)力發(fā)電主力裝備的雙饋型風(fēng)電機(jī)組，其構(gòu)成比直驅(qū)型機(jī)組復(fù)雜，所以也有著比直驅(qū)型機(jī)組更為復(fù)雜的故障形式。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障主要是由塔筒和機(jī)艙的晃動(dòng)以及滾動(dòng)軸承和齒輪因失效而引起，其影響因素復(fù)雜多樣，例如自然風(fēng)的不穩(wěn)定性、風(fēng)向和風(fēng)速的隨機(jī)性、功率和轉(zhuǎn)速的變化、組件自身設(shè)計(jì)和制造的缺陷等。

2.1 塔筒和機(jī)艙的振動(dòng)故障

塔筒和機(jī)艙的振動(dòng)主要是由自然風(fēng)的作用引起的，多為低頻振動(dòng)。由動(dòng)力學(xué)方程可知，其水平方向的振動(dòng)故障不僅與風(fēng)輪葉片受到的扭矩和推力有關(guān)，而且與葉片所受的不平衡力和塔影效應(yīng)等影響因素也有關(guān)。雖然在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中己將塔筒的固有頻率避開了葉片1P和3P激振頻率，但是在風(fēng)切變等因素的影響下，塔筒和機(jī)艙仍然會(huì)出現(xiàn)共振，此時(shí)可以通過(guò)變槳系統(tǒng)調(diào)整變槳速度、變槳曲線和增加系統(tǒng)的阻尼來(lái)控制和降低塔筒振動(dòng)的幅度。

2.2 軸承振動(dòng)故障

2.2.1 軸承振動(dòng)的故障種類及特征

滾動(dòng)軸承是傳動(dòng)系統(tǒng)中最精密的部件，其發(fā)生故障時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率一般有4種:隨機(jī)的超聲頻率、軸承零部件的自振頻率、軸承故障特征頻率、軸承故障的和頻及差頻［3］。

1)隨機(jī)的超聲頻率存在于滾動(dòng)軸承故障的初始時(shí)刻，頻率范圍在5 000～60 000 Hz之間。

2)軸承零部件的自振頻率范圍在500～2 000 Hz之間，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

3)軸承故障特征頻率就是軸承故障時(shí)產(chǎn)生的頻率，包括外環(huán)故障特征頻率、內(nèi)環(huán)故障特征頻率、滾珠體故障特征頻率和保持架故障特征頻率［4］，主要特點(diǎn)是:①故障特征頻率與轉(zhuǎn)速相關(guān);②內(nèi)外環(huán)故障最先出現(xiàn);③保持架故障不以基頻出現(xiàn);④滾珠體故障常常伴有保持架故障出現(xiàn);⑤外環(huán)故障的幅值高于內(nèi)環(huán)故障的幅值。

4)內(nèi)外環(huán)故障頻率的和頻為軸承滾珠體通過(guò)頻率(滾珠體個(gè)數(shù)×RPM)。

2.2.2 滾動(dòng)軸承故障頻率的計(jì)算

1)保持架故障頻率:

2)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率:

3)外環(huán)故障頻率:

4)內(nèi)環(huán)故障頻率:

其中，d為滾珠體直徑，D為滾動(dòng)軸承平均直徑，φ為徑向方向接觸角，n為滾動(dòng)體數(shù)目，No為軸承外環(huán)角速度，Ni為軸承內(nèi)環(huán)角速度。

2.3 齒輪箱振動(dòng)故障類型及特征

齒輪箱的常見故障有齒輪故障、軸承損壞、斷軸和油溫高等，其中齒輪故障是齒輪箱故障的最主要原因［5］。齒輪故障形式主要有以下幾種:

1)斷齒

細(xì)微裂紋逐步擴(kuò)展或過(guò)大載荷沖擊往往會(huì)形成斷齒。斷齒按照原因和裂紋擴(kuò)展的情況可分為疲勞折斷和過(guò)載折斷等［6］。

①疲勞折斷的主要原因是:輪齒在交變應(yīng)力的高頻率反復(fù)作用下，其危險(xiǎn)截面的疲勞裂紋不斷擴(kuò)大，直至輪齒上剩余截面所能承受的應(yīng)力值小于交變應(yīng)力時(shí)，發(fā)生疲勞折斷。

②過(guò)載折斷的主要原因是:突然的超載沖擊或較大硬物擠入嚙合區(qū)時(shí)，導(dǎo)致其所受載荷突然增大，超過(guò)其極限應(yīng)力，使得輪齒細(xì)微裂紋迅速擴(kuò)大，從而造成過(guò)載折斷。

2)齒面疲勞

造成齒面疲勞的主要原因是齒輪表面產(chǎn)生齒面損傷，并在交替循環(huán)的齒面應(yīng)力和過(guò)大的接觸剪應(yīng)力的作用下工作。齒面損傷是由于齒輪表層及表層下面產(chǎn)生疲勞裂紋，并進(jìn)一步擴(kuò)展，從而造成齒輪表面的初步損傷，其主要表現(xiàn)形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面剝落和表面壓碎等。

3)膠合

膠合就是齒面上的金屬被撕落，常發(fā)生在齒面相互嚙合的邊界處。在運(yùn)行過(guò)程中，若齒面潤(rùn)滑不良，往往會(huì)引起齒面的膠合，通過(guò)改善潤(rùn)滑條件、及時(shí)排除雜質(zhì)或調(diào)整傳動(dòng)件的嚙合參數(shù)等方法可以有效減輕或消除膠合現(xiàn)象［7］。

在齒輪箱的眾多故障中，齒輪齒的磨損、齒輪齒的過(guò)大負(fù)載、齒輪偏心、齒隙游移、齒面裂紋或斷齒、齒輪組合異常和齒輪齒的擺動(dòng)等故障都是以振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)，而對(duì)這些故障評(píng)定的重要依據(jù)之一就是齒輪的嚙合頻率(齒輪的齒數(shù)×轉(zhuǎn)速)。齒輪的嚙合頻率時(shí)常會(huì)伴隨出現(xiàn)特定幅值的、與齒輪或其配對(duì)齒輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的邊頻帶，故相比與滾動(dòng)軸承，齒輪的嚙合頻率(GMF)并不像軸承故障特征頻率那樣的重要。只要在安裝和對(duì)中過(guò)程良好的狀態(tài)下，齒輪嚙合頻率(GMF)、諧波頻率和邊頻帶頻率的幅值都很小，尤其是邊頻帶頻率［8］。

齒輪振動(dòng)頻譜分量有7種特征頻率，分別是:

①低速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率frg;

②高速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率frp;

③齒輪嚙合頻率fm=frg×Zg=frp×Zp;

④低速齒輪邊帶頻率(fm±ifrg);

⑤高速齒輪邊帶頻率(fm±ifrp);

⑥齒輪擺動(dòng)頻率ftr或齒輪重復(fù)頻率fHT=(fm×Na)/(Zg×Zp);

⑦齒輪組合狀態(tài)通過(guò)頻率fa=fm/Na(Na=齒輪組合狀態(tài)數(shù))。

齒輪特征頻率之間的關(guān)系為ftr≤frg≤frp≤fa≤fm，適用于任意兩個(gè)嚙合的齒輪。

3 振動(dòng)信號(hào)的分析及處理

3.1 振動(dòng)信號(hào)分析處理的主要方式

1)倒頻譜分析方法:利用傅里葉變換分析得到的復(fù)雜類型的故障頻譜圖轉(zhuǎn)換為易識(shí)別的故障特征頻譜圖。

2)SPM(Shock Pulse Method)沖擊脈沖技術(shù):將傳感器采集到的由于滾動(dòng)軸承滑道中的缺陷而產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)進(jìn)行放大后加以分析處理，然后確定滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)。

3)包絡(luò)譜分析技術(shù):利用包絡(luò)檢波的解調(diào)技術(shù)將高頻沖擊信號(hào)從載波檢出，做進(jìn)一步的處理后，利用頻譜分析功能得到齒輪箱和滾動(dòng)軸承的故障特征頻率及沖擊能量。

4)尖峰能量技術(shù):其信號(hào)處理技術(shù)的基本原理與包絡(luò)譜分析技術(shù)一樣，但是其采用的是峰值檢波技術(shù)來(lái)提取振動(dòng)的脈沖故障波形。

5)PeakVue(應(yīng)力波或壓力波)分析技術(shù):該技術(shù)主要的分析對(duì)象是金屬直接接觸時(shí)產(chǎn)生的高頻應(yīng)力或壓力波。通過(guò)提高振動(dòng)信號(hào)采樣率得到較為真實(shí)的高頻應(yīng)力或壓力波，再?gòu)牟东@的每個(gè)應(yīng)力波事件的幅值、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)比率中得到滾動(dòng)軸承的故障特征頻率。

6)小波分析技術(shù):通過(guò)小波的尺度變換得到振動(dòng)信號(hào)不同頻率區(qū)域的能量分布，由于受技術(shù)條件所限，至今還未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的階段。

7)峭度、偏斜度和峰值因子分析方法:這是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的故障診斷方法，提取一些容易得到的，同時(shí)對(duì)軸承的承載大小和轉(zhuǎn)速影響很小的無(wú)量綱參數(shù)，與初期運(yùn)行時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以較為準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 包絡(luò)譜分析

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析的目的是為了得到齒輪和滾動(dòng)軸承的特征故障頻率。就目前的分析技術(shù)而言，包絡(luò)分析、尖峰能量分析和PeakVue分析基本上沒(méi)有太大的區(qū)別，而峭度、偏斜度和峰值因子等分析方法只能夠作為輔助判定手段;同時(shí)由于尖峰能量和PeakVue分別屬于ENTEK和CSI的專利技術(shù)，因此在工程實(shí)際中應(yīng)用最普遍的是包絡(luò)譜分析技術(shù)。

3.2.1 包絡(luò)譜分析技術(shù)基本原理

包絡(luò)譜分析技術(shù)最早由滾動(dòng)軸承生產(chǎn)商SKF公司提出，采用包絡(luò)檢波的解調(diào)技術(shù)檢出被低頻信號(hào)(載波)調(diào)制的高頻沖擊信號(hào)，其分析流程如圖2所示。

圖2 包絡(luò)譜分析技術(shù)的分析流程

當(dāng)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的某個(gè)原件出現(xiàn)損傷或者故障時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊能量非常集中，且振動(dòng)信號(hào)的頻帶寬，這就使得振動(dòng)信號(hào)中含有一些周期性的沖擊成分，必然導(dǎo)致高頻固有振動(dòng)受到低頻成分的幅度調(diào)制，形成復(fù)雜的調(diào)幅波，使機(jī)組的故障信息調(diào)制到了各種振動(dòng)信號(hào)之中。包絡(luò)譜分析技術(shù)就是利用帶通濾波和低通濾波的方法，將經(jīng)過(guò)調(diào)幅和調(diào)頻的振動(dòng)信號(hào)從高頻沖擊故障振動(dòng)信號(hào)中分離出來(lái)，然后利用包絡(luò)分析，去除一些跟故障不相關(guān)的高頻振動(dòng)頻率，得到只包含故障特征信息的包絡(luò)信號(hào)。最后對(duì)這一包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，將故障頻率從測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)中提取出來(lái)，由此診斷故障［9］。

常用的包絡(luò)分析方法主要有希爾伯特(Hilbert)變換法、檢波濾波法、復(fù)調(diào)制和循環(huán)平穩(wěn)分析方法等，利用包絡(luò)提取信號(hào)的基本過(guò)程如圖3所示。

圖3 包絡(luò)分析對(duì)疊加波的處理

圖3表示的是兩個(gè)正弦波的疊加，此疊加信號(hào)的最低頻率有3個(gè)循環(huán)分量。通過(guò)對(duì)疊加信號(hào)的波峰和波谷添加正弦包絡(luò)線就可以將信號(hào)中的各個(gè)疊加信號(hào)分離出來(lái)，合成包絡(luò)線的幅值和頻率便為低頻分量的幅值和頻率。包絡(luò)線的垂直距離表示高頻成分的峰峰值，因此高頻頻率一般可以數(shù)出。

由于包絡(luò)譜分析技術(shù)可以從調(diào)制信號(hào)中將被遮蔽的故障振動(dòng)信號(hào)提取出來(lái)，這就使得包絡(luò)譜分析技術(shù)可以更早并可靠地確認(rèn)故障部位及故障類型，從而使得包絡(luò)譜分析技術(shù)廣泛的應(yīng)用于齒輪箱和滾動(dòng)軸承的故障分析中。

3.2.2 包絡(luò)譜分析技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

為了更好的展示出包絡(luò)譜分析技術(shù)的處理效果，現(xiàn)用包絡(luò)譜分析技術(shù)對(duì)某雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)傳動(dòng)端軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域與頻域波形頻譜如圖4所示。

圖4 軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻域波形頻譜圖

在時(shí)域波形圖中，該軸承的振動(dòng)參數(shù)已經(jīng)超過(guò)了規(guī)定限值，說(shuō)明軸承存在故障。但是在頻域圖內(nèi)很難判斷出故障出自軸承的哪個(gè)元件，這就對(duì)機(jī)組的檢修維護(hù)造成極大地困難。為了對(duì)此故障做出進(jìn)一步的判斷，對(duì)此振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了包絡(luò)譜分析，如圖5所示。

圖5 軸承振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜圖

此振動(dòng)的包絡(luò)信號(hào)中存在161.875 Hz的基頻，并且其倍頻處的幅值呈依次遞減的狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算得知:該基頻與內(nèi)環(huán)故障特征頻率(160.25 Hz)幾乎重合，由此可以判斷此軸承故障發(fā)生在內(nèi)環(huán)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)此軸承存在安裝問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致軸承內(nèi)環(huán)受載不均，造成磨損。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前較為成熟的新能源發(fā)電技術(shù)，其承擔(dān)著能源體系改革的重任。然而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要故障為振動(dòng)故障，其影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命，也是阻礙其繼續(xù)發(fā)展的因素之一。通過(guò)對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的闡述，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障診斷、運(yùn)行維護(hù)和檢修策略提供了幫助，降低了機(jī)組的維護(hù)成本，提高了設(shè)備利用率。

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