基于振動(dòng)分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷方法

張佳孔

摘 要：現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工況越來越繁瑣，出現(xiàn)故障的幾率比以往多出很多倍，并且無(wú)法再像以往那樣，通過單一信號(hào)處理方法，來實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)組狀態(tài)，監(jiān)測(cè)故障診斷方法。進(jìn)而提出了一種以振動(dòng)信號(hào)分析，以及集成多種常用信號(hào)處理方法為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷方法。該種方法以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行特點(diǎn)作為入手點(diǎn)，分析了機(jī)組運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的故障，及其產(chǎn)生機(jī)理。并通過多測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信息采集獲得，某種雙饋式風(fēng)機(jī)發(fā)電典型工況的振動(dòng)特點(diǎn)，再運(yùn)用時(shí)域和包絡(luò)調(diào)解法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究處理，進(jìn)而提取出振動(dòng)信號(hào)中隱藏的故障特征信息，最終拆解風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)，以及更換報(bào)告結(jié)果，得出該方法的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)技術(shù) 分析與研究 環(huán)境惡劣 軸承故障

機(jī)理

一、風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)故障機(jī)理分析

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境較差，再加上風(fēng)速的變化多樣和外部的載荷也常常變化，使得機(jī)組內(nèi)部元件長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，很容易導(dǎo)致部件發(fā)生損壞，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)整體的使用效果與使用壽命。下文將以發(fā)電機(jī)故障為主要研究對(duì)象，進(jìn)行闡述。據(jù)調(diào)查可知，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)故障基本上以電機(jī)振動(dòng)大、發(fā)電機(jī)軸承過熱、剎車盤的變形、偏航減速器出現(xiàn)故障等等為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些故障主要原因是定子繞組絕緣發(fā)生破損、轉(zhuǎn)子平衡效果不佳。通過分析振動(dòng)信號(hào)的軸承故障診斷可知，第一步需要根據(jù)軸承型號(hào)參數(shù)，根據(jù)原廠給出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出軸承的故障特征頻率。

二、 風(fēng)機(jī)振動(dòng)信息獲取

我國(guó)某一風(fēng)場(chǎng)的SL82-1500k W風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)由葉片和齒輪箱以及發(fā)電機(jī)構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要作用是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再傳給發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，最后轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)，核心部分屬于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，又稱作交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，其運(yùn)行速率在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)控的，可以不斷優(yōu)化風(fēng)能利用系數(shù)，最后讓電功率可以穩(wěn)定輸出。通過對(duì)該型機(jī)組的某臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)振動(dòng)超大現(xiàn)象，對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集，確定使用傳感器測(cè)點(diǎn)配置為以下幾點(diǎn)。1）主軸承垂直；2）第一級(jí)內(nèi)齒圈垂直；3）第二級(jí)內(nèi)齒圈垂直；4）平行軸水平；5）高速軸垂直；6）高速軸水平；7）發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直；8）發(fā)電機(jī)自由端垂直等。這種機(jī)器連接的順序?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)的兩頭為發(fā)電機(jī)自由端軸承與發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承，由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器是發(fā)電機(jī)與齒輪行的連接中樞，由聯(lián)軸器連接齒輪箱輸出軸。由齒輪箱輸出軸與齒輪箱中間軸連接齒輪箱定軸輪系，從而進(jìn)一步與齒輪箱內(nèi)齒圈、齒輪箱二級(jí)平行星輪系與齒輪箱一級(jí)平行星輪系，再繼續(xù)齒輪箱連接主軸軸承，最后連接葉片。

三、可能出現(xiàn)的問題

3.1齒輪箱。齒輪箱是連接電機(jī)組與電機(jī)傳動(dòng)部位的重要部件，齒輪箱可以讓主軸上的轉(zhuǎn)速迅速提高到想要達(dá)到的高轉(zhuǎn)速模式，用來滿足發(fā)電機(jī)工作時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速的需求。齒輪箱的工作環(huán)境極其惡劣、工作狀況也比較復(fù)雜，但傳遞的功率很大。在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，不斷地受到?jīng)_擊荷載作用的影響，齒輪之間可能發(fā)生齒面擦傷、點(diǎn)蝕、齒面磨損等故障，軸承也可能發(fā)生滾道滑傷、磨損、外圈跑圈等故障。齒輪箱故障發(fā)生的頻率很大而且維修的費(fèi)用貴、維修時(shí)間長(zhǎng)，所以齒輪箱的故障診斷要進(jìn)行著重研究。

3.2電機(jī)?，F(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用永磁同步發(fā)電機(jī)與雙饋發(fā)電機(jī)，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，整體的齒輪箱增速效果好，但整體的重量比較大，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲也很大。異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子由變流器連接，變流器讓功率雙向流動(dòng)，運(yùn)用轉(zhuǎn)子的調(diào)節(jié)，讓變速恒頻運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)也在風(fēng)電機(jī)組的變槳、偏航等系統(tǒng)中出現(xiàn)。電機(jī)的故障有機(jī)械故障與電氣故障兩種形式。軸承過熱導(dǎo)致?lián)p壞，轉(zhuǎn)子間隙異常，軸承磨損、損壞都是機(jī)械故障。繞組短路、過熱、斷路三相不平衡等都是電氣故障的范疇。

3.3 控制系統(tǒng)和傳感器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的許多系統(tǒng)都需要控制系統(tǒng)對(duì)其控制。在控制系統(tǒng)里面包括了多種多樣的傳感器與控制器，經(jīng)過傳感器收集各類信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析，通過控制器對(duì)風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)部分做出保護(hù)，讓發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境更加的穩(wěn)定。但由于風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境很差，有時(shí)傳感器與控制器也可能出現(xiàn)故障。當(dāng)發(fā)生硬件故障時(shí)需要工作人員關(guān)閉風(fēng)電機(jī)組對(duì)其進(jìn)行維修，當(dāng)軟件出現(xiàn)問題時(shí)可以嘗試重啟機(jī)組觀察情況。

四、振動(dòng)信號(hào)處理與分析

4.1 時(shí)域分析。時(shí)域分析主要考慮信號(hào)的時(shí)間順序，以及振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)間變化的走勢(shì)，通過收集到的信息，對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并得出之間的規(guī)律，最后得到振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)。該種分析主要是通過提取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征指標(biāo)，再以這些指標(biāo)作為依據(jù)判別故障類型。一般情況下，常用的特征指標(biāo)有均值、方差或者有效值等等。但特征指標(biāo)會(huì)跟著工況的變化而發(fā)生改變，因此，時(shí)域分析存在對(duì)故障不敏感等等缺點(diǎn)。

通過應(yīng)用MATLAB編程，得到4個(gè)通道的時(shí)域波形，其具體振動(dòng)信號(hào)波形圖。發(fā)電機(jī)自由端兩個(gè)方向的振動(dòng)幅值整體低于驅(qū)動(dòng)端兩個(gè)方向的振動(dòng)幅值，大約是其幅值的1/4，所以基本可以判斷出發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承出現(xiàn)故障，使得振動(dòng)幅值提高。所以，下面需要著重分析發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)，選擇合適時(shí)間段信號(hào)分析其頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直信號(hào)的鍵相信號(hào)，輸入軸只要轉(zhuǎn)一圈，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，為得到時(shí)域波形中的沖擊信息，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行局部階段處理，選取轉(zhuǎn)速較高振動(dòng)較為平穩(wěn)的2s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2 頻域分析。一般地，選取故障診斷法來分析振動(dòng)信號(hào)頻域，此方法通過利用傅里葉變換，將信號(hào)分成一系列頻率分量疊加的形式。因?yàn)樵摲椒梢缘玫叫盘?hào)幅值或者相位與頻率之間的關(guān)系，進(jìn)而反映出振動(dòng)信號(hào)內(nèi)在的頻率結(jié)構(gòu)，這有利于故障類型判別，因此在風(fēng)電裝備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

4.3包絡(luò)分析。通常情況下，共振解調(diào)技術(shù)又稱為包絡(luò)分析，其一般應(yīng)用在滾動(dòng)軸承的故障診斷中。此方法可以通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行Hilbert交換，把軸承故障頻率從共振頻率中解調(diào)出來，用于滾動(dòng)軸承的前期故障診斷。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)上文分析與研究可知，對(duì)于發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)鏈振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷問題而言，第一，該方法根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，分析了傳動(dòng)鏈的故障類型。第二，此方法根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析，以及頻域分析等等，可以快速的從信號(hào)中提取故障特征頻率，判斷出故障位置。第三，該方法簡(jiǎn)便、效率高，可以為后期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供很好的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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