淺談風電機組塔架的損傷理論與振動監(jiān)測

包秀鵬

摘 要：本文主要對風電機組塔架的損傷理論和振動監(jiān)測進行分析，從這兩方面進行闡述，使相關人員能夠掌握塔架的損傷理論。在振動監(jiān)測分析中，需要針對風電機組塔架的振動特點與原則、載荷測試的條件、振動信號的分析與處理情況進行討論，使風電機組的運行效率得到提升。

關鍵詞：風電機組；塔架；損傷理論；振動監(jiān)測

風電機組是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，按照能量守恒定律將大自然中的風能轉(zhuǎn)換成電能。具體過程是通過流動的風，使風輪轉(zhuǎn)動，然后這些動能會轉(zhuǎn)換為機械能的裝置中的機械能，再由傳功系統(tǒng)帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。塔架在風力發(fā)電機組中，主要起到承接作用，與地基相連，支撐整個發(fā)電機組的重量，如果塔架出現(xiàn)彎曲或折斷，會導致整個風電機組停產(chǎn)甚至倒塌，所以相關人員應重點研究這部分內(nèi)容。

1.風電機組塔架的損傷理論

風電機組的機械零件在工作中，各點的受力情況會因為時間不同而出現(xiàn)周期性變化，這種力也被稱為變應力。如果零件長期在這種應力情況下使用，材料就會出現(xiàn)斷裂或折斷，從而導致?lián)p傷[1]。很多機械零件的疲勞斷裂都是受到不斷變化且重復施加的載荷時發(fā)生的，載荷不斷積累就會導致零件最終因疲勞損傷，這就是損傷理論。

該理論的主要內(nèi)容是機械零件在荷載的作用，出現(xiàn)疲勞，在這個過程中產(chǎn)生的疲勞導致?lián)p傷原則。以某風電機組的運行情況為例，其零件在工作過程中，吸收能量達到了荷載的極限，就會導致疲勞損壞?，F(xiàn)假設零件損傷前吸收能量的最大值為W，并假設該零件受到荷載的循環(huán)次數(shù)為N，那么當某一循環(huán)數(shù)為n1時，該零件吸收的能量為W1，那么零件吸收的總能量與承受的荷載循環(huán)次數(shù)為正比例關系，具體公式如下：

如果零件受到的荷載由不同的循環(huán)應力組成，具體有l(wèi)個，那么在單獨承擔各項應力時，每個應力的疲勞壽命都不一致，分別為N1，N2，……，Nl，由此每個應力的循環(huán)次數(shù)為n1，n2，……，nl，那么損傷的表示公式如下：

在公式中，ni——在一段應力范圍內(nèi)的作用載荷循環(huán)次數(shù)；

Ni——在一段應力范圍內(nèi)的作用載荷疲勞壽命。

如果零件的載荷符合上述公式，那么零件在工作時，承受的載荷與其中吸收的能量到零件的極限值W，在此時容易出現(xiàn)疲勞并出現(xiàn)損傷。

2.風電機組的振動監(jiān)測

2.1塔架的振動特點與原則

風電機組中水平軸的塔架頂端安裝風輪和機艙，提高風電機組的效率，風輪和機艙的質(zhì)量也會受到影響[2]。自然界中的風是時刻變化的，在時間上和空間上都沒有規(guī)律，所以作用在塔架上的載荷非常復雜。

在風電機組的在線監(jiān)測系統(tǒng)中，應及時獲取載荷信號，這是故障診斷和在線監(jiān)測的前提條件。相關人員應布置傳感器，確保能夠獲取到準確的振動信號。傳統(tǒng)的載荷傳感器一般包括變片、傳感器或應變計電橋[3]。風力發(fā)電機組的載荷測試一般運用測試裝置的傳感器，然后分析塔架的靜電載荷和疲勞強度載荷，在塔架的最大應力應變化、最大位移處進行布置。

2.2載荷測試的條件

進行風電機組進行測試時，風機必須滿足一定載荷，通常是在風力發(fā)電機的滿負載20%以上，比如針對1.5MW的風機測試，所以該風機的負載要滿足300KW的情況，才能進行操作[4]。相關人員進行采集數(shù)據(jù)時，要選在合適的時間，并確保風機轉(zhuǎn)速和風能較為穩(wěn)定，同時負載情況也較為穩(wěn)定，然后記錄各監(jiān)測點的關鍵性數(shù)據(jù)，如風速、風壓及風電機組的功率等。

2.3振動信號的分析與處理

風電機組在運行中，因為受到?jīng)_擊或碰撞的影響，會產(chǎn)生振動，工作人員需要提取這些振動信號進行仔細分析。這些振動信號中，包含大量的信息，而這些信息在振動信號中會通過不同的形式表示出來。從這種現(xiàn)狀來看，振動信號的信息能夠更加準確反映風電機組的運行狀態(tài)，所以風電機組的振動監(jiān)測能夠更加準確的掌握風電機組的運行情況[5]。

振動信號主要有平穩(wěn)信號和非平穩(wěn)信號兩種，這兩種信號對應的分析方法也不同，風電機組的振動信號一般是根據(jù)時間做無規(guī)律變化，對于非平穩(wěn)信號的分析方法一般有小波變化和經(jīng)驗模態(tài)分解等。小波變換是應用最廣的信號分析方法，在參數(shù)識別和振動模態(tài)得到了大范圍的應用。小波變換與其他信號分析方法比較，有兩個重要的特性：分析分辨率信號的時域和頻域變化，并快速從多通道進行帶通濾波。小波變化具有濾波特性，相關人員應根據(jù)這一特點，先原有的信號空間進行分解，并對信號進行濾波處理分析，可以得知那些想要消除的頻率范圍對應的空間序列號為零，然后再重新計算剩余頻率范圍的信號，得到間距高頻、低頻并帶有多個帶阻的多個濾波器。

相關人員要做好信號的降噪處理，診斷故障時，監(jiān)測到振動信號都含有噪聲，所以噪聲處理能夠分為兩種情況處理，一種是噪聲的處理是確定性的，相關人員先了解噪聲的頻率和頻率范圍，這時需要采用小波變化的濾波性；第二種是處理不確定的噪聲，相關人員無法在監(jiān)測前得知噪聲的頻率和范圍。

3.結(jié)束語

通過上文對風電機組塔架的損傷理論與振動監(jiān)測的分析，能夠得出塔架在風電機組中具有重要的作用。相關人員為了降低風電機組出現(xiàn)故障的幾率，使維護成本降低，提升風電機組的經(jīng)濟效益，應重點分析風電機組的關鍵零部件，掌握損傷理論，做好塔架的振動監(jiān)測工作，提升風電機組的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]戶秀妹.風電機組塔架的損傷理論與振動監(jiān)測[D].華北電力大學，2013（3）：194-195.

[2]郭欣.風電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[D].南京師范大學，2012（3）：124-125.

[3]曹斌.風電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D].廣東工業(yè)大學，2014（5）：175-176.

[4]許明.風力發(fā)電機組輪穀和塔架的載荷分析研究[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2009.