關于風力發(fā)電傳動鏈故障診斷技術分析

趙利新

摘要 在本論文中，筆者首先介紹了風機發(fā)電傳動鏈，而后對故障診斷分析技術進行了詳細介紹，以期為相關工作者提供一定的借鑒意義。

關鍵詞 風力發(fā)電；傳動鏈故障； 診斷技術

【分類號】：TM315

1.風力發(fā)電傳動鏈介紹

所謂風力發(fā)電，就是指通過某種手段將風能轉化為電能。作為一種清潔的可再生能源，風能收到越來越多的關注與重視。我國風能資源豐富，可開發(fā)利用的風能儲量達到10億kW：陸地上的風能儲量為2.53億kW左右，海上可開發(fā)和利用的風能儲量為7.5億kW。風力發(fā)電是把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發(fā)電，其根本原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。

就我國來說，風力發(fā)電已經占到我國用電總量的很大一部分。但是，由于各種主客觀因素的影響，風力發(fā)電的過程中會出現(xiàn)一些故障，影響發(fā)電過程以及電能的應用效率。為了更好地做好故障診斷工作，國內相關工作人員都進行了大量的研究，還開發(fā)出大型的傳動鏈故障診斷系統(tǒng)。傳動鏈是由內鏈接和外鏈接兩部分組成的，還包括五個小部件：內鏈板、外鏈板、銷軸、套筒以及滾柱。傳動鏈在風力發(fā)電的過程中常見的。風機發(fā)電組通過風輪葉片將風的動能轉變?yōu)闄C械能，并帶動發(fā)電機旋轉發(fā)出電能。風電機組按照葉片可以分為雙葉式、三葉式和多葉式；而按照傳動鏈的連接方式可以分為變速箱式和直驅式等。下面，筆者將對風力發(fā)電傳動鏈故障診斷技術進行相應的分析。

2.傳動鏈故障診斷的基本原理

傳動鏈故障診斷的方法有很多種。一般來說，按照診斷環(huán)境來說，可以分為離線和在線；按照檢測手段來分，可以分為振動、噪聲、溫度、壓力以及聲發(fā)射等；按照診斷方法來說，可以分為頻域、時域、統(tǒng)計、信息理論、模式識別或者人工智能等。大部分故障診斷系統(tǒng)是以振動分析為主要的診斷手段，振動分析法也是目前傳動機故障分析的最主要技術之一。

在檢測過程中，工作人員要對機器主要部分的振動量，包括位移、速度以及加速度等方面進行測定，并與標準值進行相應的比較，以此得出傳動鏈的具體運轉狀態(tài)。該種故障診斷的優(yōu)點是故障診斷的十分精確，可以進行故障的定位工作；但是，診斷的過程中需要加裝傳感器和信號采集設備，診斷過程中的投資額度較大。傳動鏈故障診斷過程中應用最廣泛的方法使頻域分析法。該種方法就是通過快速富立葉變化將原來的時域波形轉變?yōu)轭l譜，這些頻譜與故障之間有著高度地對應關系。

3.風力發(fā)電傳動鏈故障診斷的具體流程

風力發(fā)電傳動鏈故障的診斷是一個系統(tǒng)性工程，需要多方面的共同努力與配合。下面，筆者將對風力發(fā)電傳動鏈故障診斷的具體流程進行闡述。

風機的傳動鏈系統(tǒng)通常是由葉片、主軸、增速齒輪箱、連軸器、發(fā)電機等多個部件組成的，工作人員也可以根據(jù)實際情況進行調整。傳動鏈是動態(tài)作用的，因此，我們必須關注其動態(tài)特征。風力發(fā)電機組傳動鏈系統(tǒng)的故障主要可以分為三個方面，包括傳動鏈震動、噪聲以及共振問題等。而風力發(fā)電機傳動鏈故障分析可以分為兩種手段進行 數(shù)值仿真與現(xiàn)場檢測，從而診斷出故障的具體激勵，明確故障發(fā)生的原因與維護的建議。

4.風力發(fā)電傳動鏈故障診斷技術分析

風力發(fā)電傳動鏈的故障診斷是一項較為復雜的工作。下面，筆者將會結合具體的案例，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)做好現(xiàn)場測算工作。

4.1數(shù)值仿真

對于數(shù)值仿真方面，我們主要從風機設計的角度入手，在仿真過程中要注意借鑒多體動力學仿真如見，對傳動鏈的固有特性以及其動態(tài)響應進行分析，從而甄別出傳動鏈的共振源，診斷出傳動鏈中各個部件的震動問題及噪聲的大小等。

而數(shù)值仿真工作有包括以下步驟：第一，工作人員要建立柔性的多體系統(tǒng)動力學模型。我們知道數(shù)值仿真的根本原理是建立在多體動力學基礎之上的，風機傳動鏈則是由多個剛體和柔性體共同組成的系統(tǒng)，也就被稱為柔體多體系統(tǒng)。在數(shù)值仿真的過程中，相關人員要將復雜的風機傳動系統(tǒng)模型簡化成等效的動力學模型，這就需要相關工作人員具備傳動鏈系統(tǒng)的動力學拓撲圖，并能夠輸入傳動鏈 各個部件的剛度、質量、慣性矩等等參數(shù)，之后再通過力元將各個部件連接起來，最終完成系統(tǒng)模型。

第二，要做好頻域分析工作。所謂頻域分析，就是指在系統(tǒng)動力學精確建模的基礎之上，相關人員要進行模態(tài)計算，并從中得出風機傳動鏈系統(tǒng)的固有頻率值及振型等。但是，由于風力發(fā)電機祭祖的轉速較快，激勵頻率帶也相對較寬，傳動鏈容易發(fā)生共振現(xiàn)象，也會對系統(tǒng)的正常運行造成一定的影響。因此，在對風機傳動鏈系統(tǒng)進行頻域分析時，工作人員又要通過一定的步驟對潛在的共振點進行分析：首先，要對切入、切出以及耳釘狀態(tài)下傳動鏈系統(tǒng)的模態(tài)進行分別計算。其次，要根據(jù)風機傳動鏈系統(tǒng)在不同模態(tài)頻率下的振型和模態(tài)能量的分布特征繪制能量分布圖，從而篩選出那些扭轉振型，和扭轉方向能量的固有頻率。再次，要根據(jù)篩選出的固有頻率和傳動鏈熊的激勵頻率機制繪制出工作轉速之內的坎貝爾圖，坎貝爾圖中的焦點位置也就是風機傳動鏈熊中的潛在共振點。頻域分析的根本目的是通過對照風機傳動鏈系統(tǒng)的模態(tài)能量分布和坎貝爾圖，對共振點進行初步的甄別，從而采取措施進行防震工作。

第三，做好時域分析工作，對傳動鏈系統(tǒng)進行動態(tài)響應計算，從而得出系統(tǒng)的震動加速度與速度，進一步甄別共振點，處理系統(tǒng)噪聲和震動問題。要辨別出傳動鏈系統(tǒng)的內、外部激勵，從而使得風機在驅動力的作用下橫過整個區(qū)間。要分析扭矩掃頻響應，繪制三維坎貝爾圖。還對共振點進行定性分析，看是否會出現(xiàn)震動加劇情況 最后，對仿真結果進行分析，判斷系統(tǒng)是否存在振動過大現(xiàn)象。

4.2現(xiàn)場測算

進行現(xiàn)場檢測的根本目的就是為了評價目標風機的健康狀況。下面，筆者將從三個方面對現(xiàn)場測算工作進行分析。

4.2.1確定測試位置

工作人員要通過數(shù)值分析的結果來確定風機傳動鏈系統(tǒng)中振動較大的元件，并在齒輪箱位置做好測試點的布置工作，當然也要兼顧其他的部件，主要以齒輪箱的扭力臂、主軸承座為主要的測試點 . 在測試過程中，要根據(jù)測試點的選取情況，分析計算結果，設置合理的寬帶。

4.2.2執(zhí)行測試

測試前要對傳動鏈進行振動的基準測試，由于風載的強隨性，風機的運行情況相對復雜。因此，在執(zhí)行測試之前，工作人員要做好系統(tǒng)檢測工作。

4.2.3數(shù)值分析

要利用振動測試儀器作為傳動鏈加速度的傳感器，對風機一段時間內穩(wěn)定的工況進行數(shù)據(jù)的采集與分析，并做好傅里葉的變換等工作，從而得出噪聲、振動等的水平參數(shù)。之后，要結合數(shù)值仿真的結果和各個元件的固有頻率值，定位問題元件，并對出現(xiàn)問題的原因作出合理的介紹，為后續(xù)的維修工作提供建議。

5.總結

總之，風力發(fā)電機傳動鏈故障分析的難度較大、復雜程度較高。這需要相關工作人員了解風機作用的根本原理，熟悉各個部件的性能，以便能勝任檢測與調試工作。同時，相關單位必須注意引進先進的技術設備，做好設備的采購工作，保證設備的良性、合理運轉，提高工作效率，避免各種故障的發(fā)生。

參考文獻

[1]安學利，蔣東翔，陳杰，劉超. 基于ITD和LS-SVM的風力發(fā)電機組軸承故障診斷[J]. 電力自動化設備. 2011（09）

[2]和曉慧，劉振祥. 風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)[J]. 風機技術. 2011（06）

[3] 陳雪峰，李繼猛，程航，李兵，何正嘉. 風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的研究與進展[J]. 機械工程學報. 2011（09）

[4]于明月，陳果，李成剛，馮國全，王德友. 基于小波包分析和支持向量機的轉靜碰摩部位識別[J]. 航空動力學報. 2013（01）

[5]張登峰，郝偉，郝旺身. 風力發(fā)電機組的振動測試與診斷[J]. 大電機技術. 2012（01）