風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

牛亮

（國家能源集團(tuán)國華河北公司甘陵風(fēng)電場(chǎng)，河北衡水 053000）

0.引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量越來越大，其結(jié)構(gòu)形式也變得更加復(fù)雜，給日常維修和故障診斷增加了難度。異常振動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中常見的故障類型，根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生原因不同，可分為電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等型式。依托信息技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能、自動(dòng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)工況的實(shí)施采集、反饋和分析，一旦監(jiān)測(cè)到異常振動(dòng)，立刻進(jìn)行報(bào)警。除了提醒機(jī)組管理人員故障問題外，還會(huì)提供故障位置、類型，甚至智能生成處理方案，從而為發(fā)電機(jī)的故障診斷提供輔助[1]。

1.概述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)

1.1 分析整機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)

目前，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究情況，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程匯總振動(dòng)故障是比較常見的問題，其原因復(fù)雜而且解決難度比較大，如果問題嚴(yán)重的化就會(huì)嚴(yán)重?fù)p害機(jī)組設(shè)備甚至引發(fā)重大事故。實(shí)際研究工作中，將風(fēng)機(jī)整體系統(tǒng)劃分為搭架-機(jī)艙系統(tǒng)、根部剛性固定葉片與傳動(dòng)系統(tǒng)3部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)生振動(dòng)情況后會(huì)引起共振問題，比如實(shí)際應(yīng)用過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身風(fēng)載、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)與開關(guān)等使得風(fēng)機(jī)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，此種振動(dòng)引起軸承、齒輪副與聯(lián)軸器等部件發(fā)生振動(dòng)最終損壞設(shè)備，設(shè)備使用壽命與質(zhì)量受到威脅。

1.2 分析機(jī)組偏航系統(tǒng)振動(dòng)

綜合分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況，因偏航系統(tǒng)構(gòu)建故障概率比較大，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中此種情況比較常見，主要是因轉(zhuǎn)子周期變化與旋轉(zhuǎn)力間出現(xiàn)共振。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)承受更大的荷載力，偏航力矩不斷變化引起扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，特定位置不同方位引起明顯摩擦阻尼與牽制力。

1.3 研究機(jī)組葉片振動(dòng)情況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片部件非常重要，展向長、弦向短且柔韌性好等是多數(shù)葉片普遍具有的特點(diǎn)，該部件實(shí)際運(yùn)行中極易發(fā)生振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行質(zhì)量有著重要的影響?，F(xiàn)階段，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，因自身慣性力與重力等因素影響葉片形成激振力，通常振動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定時(shí)，靜態(tài)發(fā)散與顫振情況下引起強(qiáng)烈振動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行受到影響。

1.4 分析風(fēng)機(jī)主軸承振動(dòng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，主軸承振動(dòng)是指滾動(dòng)軸承各部為結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)及受損狀態(tài)等因素引起。必須要注意，軸承座傳遞的外界荷載與激勵(lì)信號(hào)，很大程度上對(duì)主軸承振動(dòng)情況帶來影響，其他因素也會(huì)隨機(jī)引起主軸承發(fā)生振動(dòng)，根據(jù)實(shí)際情況分析軸承振動(dòng)頻譜，其主要包含低頻段、中頻段與高頻段3部分。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)部件常見故障

2.1 滾動(dòng)軸承故障

很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的環(huán)境非常惡劣，因此造成機(jī)組零部件容易出現(xiàn)各種故障的現(xiàn)象。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障一般可以分為兩類，包括電氣相關(guān)的故障和機(jī)械相關(guān)的故障。無論哪種故障都會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的影響，當(dāng)這種故障累積到一定程度的時(shí)候，就會(huì)對(duì)機(jī)組造成非常嚴(yán)重的影響，甚至?xí)a(chǎn)生重大事故。為了保證軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提升發(fā)電質(zhì)量，需要加強(qiáng)對(duì)軸承存在的各種故障進(jìn)行研究。軸承表面較為光滑、摩擦力比較小，因此在進(jìn)行安裝與維護(hù)過程中較為簡單方便，軸承還承擔(dān)著一定的重量荷載，并帶著這種負(fù)載一起轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種不同的軸承，分布在主軸、發(fā)電機(jī)前后以及齒輪箱等位置。在實(shí)際運(yùn)行過程中，軸承一旦出現(xiàn)故障會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行，有可能會(huì)造成機(jī)組停機(jī)的問題，會(huì)使得企業(yè)因?yàn)橥C(jī)而受到經(jīng)濟(jì)方面的損失。據(jù)調(diào)查，所有的機(jī)械故障中，由于振動(dòng)產(chǎn)生的故障占70%，而在這些振動(dòng)故障中，軸承又占了30%。因此在風(fēng)力發(fā)電過程中，會(huì)很大程度上受到軸承的影響出現(xiàn)故障[2]。滾動(dòng)軸承一般有軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體、軸承外圈以及保持架4個(gè)部分。在設(shè)計(jì)安裝過程中，如果存在零部件以及工藝上的問題，就會(huì)引發(fā)故障。在工業(yè)生產(chǎn)中，軸承容易受到腐蝕，還會(huì)在表面吸附微粒物，會(huì)由于承受過重的負(fù)載而使得軸承使用時(shí)間不長就出現(xiàn)損壞和故障。軸承一旦出現(xiàn)故障，最開始的時(shí)候很難發(fā)現(xiàn)，這些故障信號(hào)會(huì)被振動(dòng)噪聲所淹沒，使得軸承故障沒有被發(fā)現(xiàn)而持續(xù)惡化，最終完全喪失功能才被發(fā)現(xiàn)[3]。

2.2 齒輪常見故障

據(jù)調(diào)查，齒輪失效在齒輪零部件失效故障中經(jīng)常發(fā)生，發(fā)生概率約為60%，因此對(duì)于齒輪失效故障應(yīng)進(jìn)行必要的分析。在齒輪投入到應(yīng)用中后，齒輪由于制造不良，或者維護(hù)維修不及時(shí)就會(huì)引發(fā)齒輪故障，導(dǎo)致齒輪失去相應(yīng)的功能。齒輪失效后會(huì)隨著熱處理、齒輪材料以及安裝運(yùn)轉(zhuǎn)等狀態(tài)的不同而不同。齒輪故障主要表現(xiàn)為以下形式。第一，齒形誤差。指的是齒輪齒形與理想的齒廓線偏離，主要有制造誤差、安裝誤差和運(yùn)行誤差。齒輪在投入使用之后會(huì)形成齒形誤差，主要表現(xiàn)在表面不均勻、塑性變形、表面疲勞等。第二，齒輪均勻磨損。指的是齒輪在投入使用后，在嚙合過程中存在材料之間的摩擦，從而造成齒輪磨損的現(xiàn)象。主要有腐蝕均勻磨損和磨粒均勻磨損。在齒輪均勻磨損的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的齒形誤差，所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)也存在一定的差別，因此不歸結(jié)為齒形誤差。第三，軸不對(duì)中。主要是指在聯(lián)軸器兩端，在設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用過程中存在的問題，導(dǎo)致軸系雖然相互平行，但卻出現(xiàn)不對(duì)中的問題，使得軸上的齒輪存在分布類型的齒形誤差。振動(dòng)信號(hào)與單一齒輪齒形誤差不同，而軸不對(duì)中會(huì)導(dǎo)致齒輪存在齒形誤差，從而使得信號(hào)存在調(diào)制。第四，斷齒。這種故障一旦產(chǎn)生會(huì)非常嚴(yán)重，主要是包含過載斷齒以及疲勞斷齒這兩種形式。疲勞斷齒是非常常見的一種，在斷齒過程中，沖動(dòng)能量大，與齒輪誤差與齒輪磨損存在不同。第五，箱體共振產(chǎn)生的主要原因是沖擊能量過大，激勵(lì)其齒輪箱箱體的固有頻率，從而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。箱體共振產(chǎn)生很大的沖擊能量會(huì)造成嚴(yán)重的故障，這種振動(dòng)主要有外部激勵(lì)產(chǎn)生的。第六，軸彎曲。這也是箱體中常見的一種故障，一旦出現(xiàn)軸彎曲現(xiàn)象，會(huì)造成軸上的齒輪存在齒形誤差現(xiàn)象，這種齒形誤差與單一的齒形故障不同，軸彎曲時(shí)軸上的所有齒輪都會(huì)產(chǎn)生較大的齒形誤差[4]。

3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)

3.1 分析機(jī)組故障診斷

在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷過程中需要結(jié)合機(jī)組自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境進(jìn)行綜合分析，從而可以得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此在診斷過程中存在一定的難度。實(shí)際診斷工作中應(yīng)對(duì)診斷技術(shù)不斷創(chuàng)新，通過診斷技術(shù)的革新和理念的革新，使得各類故障在診斷過程中可以更加準(zhǔn)確，從而為發(fā)電機(jī)組的故障診斷提供應(yīng)有的參考。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷中，應(yīng)掌握故障的本質(zhì)，需要充分結(jié)合發(fā)電機(jī)組的電力參數(shù)、壓力、振動(dòng)、變形、磨損以及溫度等進(jìn)行故障診斷[5]。

3.2 分析熱力參數(shù)

基于電流熱效應(yīng)，開展溫度監(jiān)測(cè)的故障診斷也是發(fā)電機(jī)日常檢修中常用的技術(shù)形式之一。發(fā)電機(jī)有異常工況時(shí)往往會(huì)伴隨著額外的電能損耗。而電能消耗越多熱效應(yīng)也會(huì)更加明顯，進(jìn)而在故障發(fā)生位置表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)組成構(gòu)件的發(fā)熱現(xiàn)象。通過溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集到的溫度信號(hào)，與發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下各個(gè)部件的溫度允許值進(jìn)行對(duì)比。若實(shí)測(cè)溫度在允許值以內(nèi)，則說明工況良好，反之，則說明存在故障。如果設(shè)備長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，除了會(huì)導(dǎo)致部件損壞外，還有可能導(dǎo)致跳閘停機(jī)，影響正常發(fā)電。因此，溫度診斷也是保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，應(yīng)通過對(duì)熱力參數(shù)的分析，也就是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的溫度和濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的問題，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)電機(jī)、齒輪箱以及變流器等大部件和控制柜等溫度可以及時(shí)掌握。從而有效地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的人力參數(shù)進(jìn)行分析，有效地監(jiān)督風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。還應(yīng)結(jié)合機(jī)組的熱力參數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)機(jī)組故障結(jié)果進(jìn)行反饋，找到發(fā)電機(jī)組故障準(zhǔn)確的位置，并對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

3.3 分析機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)

對(duì)于振動(dòng)的分析與應(yīng)用，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障檢測(cè)過程中非常重要的方法，可以利用振動(dòng)傳感器，使其安裝在發(fā)電機(jī)組內(nèi)齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)、支架等部位，準(zhǔn)確地測(cè)量機(jī)組在運(yùn)行過程中各個(gè)部件的振動(dòng)狀態(tài)。通過傳感器可以有效的反饋振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)進(jìn)行有效的處理，快速判斷出各個(gè)部位的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，并及時(shí)解決發(fā)電機(jī)組的故障。

4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)有3個(gè)模塊組成，分別是前端數(shù)據(jù)采集模塊、集中監(jiān)測(cè)模塊和遠(yuǎn)程診斷模塊。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由布設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)各處的前端傳感器，對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集來的振動(dòng)信號(hào)，通過有線網(wǎng)絡(luò)反饋給位于風(fēng)電場(chǎng)升壓站的集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。若存在異常數(shù)據(jù)，則自動(dòng)收集該數(shù)據(jù)的來源位置，確定故障源。最后，將故障基礎(chǔ)信息傳送到遠(yuǎn)程診斷模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線診斷，并為下一步開展維修提供依據(jù)，為了盡可能全面收集振動(dòng)信息，要挑選合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

4.2 振動(dòng)狀態(tài)分析

某風(fēng)力發(fā)電廠共有4臺(tái)1200kW機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組分別布置6個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。連續(xù)進(jìn)行3d的監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)A機(jī)組整體振動(dòng)較大，其中5#振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征值的峰值達(dá)到了30.2mm/s2。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)是齒輪箱低速軸軸承座，故設(shè)備管理人員可針對(duì)齒輪箱低速軸軸承座展開進(jìn)一步的分析，在明確故障原因后采取維修措施。做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、科學(xué)診斷，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題所在、保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的全天候、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)識(shí)別故障源、及時(shí)采取維修措施，從而讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)得以正常運(yùn)行[6]。

5.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基于振動(dòng)分析法的應(yīng)用

5.1 振動(dòng)分析法在葉輪中的應(yīng)用

葉輪在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，可以有效地活動(dòng)風(fēng)能部件，受到如重力、氣動(dòng)力、慣性力等多種循環(huán)力的影響，使其處于較為惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，因此葉輪是較為容易受損的部位。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)對(duì)于載荷應(yīng)力檢測(cè)方面，國外相應(yīng)的研發(fā)出了葉片的監(jiān)控設(shè)備，也就是說通過對(duì)葉片的振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)，或者對(duì)傳感器的信號(hào)特征的監(jiān)測(cè)，可以有效地提取葉片運(yùn)作中的狀態(tài)，在結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)葉輪進(jìn)行全面的疲勞分析，對(duì)發(fā)電機(jī)組葉輪故障進(jìn)行診斷。

5.2 振動(dòng)分析法在齒輪箱中的應(yīng)用

齒輪箱的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，齒輪箱中存在著型號(hào)不同的軸承，對(duì)數(shù)很多但是嚙合種類不相同，因此振動(dòng)圖譜也是非常復(fù)雜的，研究發(fā)現(xiàn)在齒輪箱故障診斷過程中，可以通過振動(dòng)狀態(tài)來進(jìn)行分析。先利用傳感器，根據(jù)要求布置檢測(cè)點(diǎn)，之后將傳感器安裝在齒輪箱的行行星級(jí)，通過振動(dòng)信號(hào)測(cè)量水平以及垂直方向的振動(dòng)情況，通過對(duì)視域波形圖的以及頻譜圖的觀察和分析，可以有效地觀察和分析出齒輪箱中可能存在的故障。比如，對(duì)高速軸水平加速度時(shí)域波形圖進(jìn)行觀察，如果頻譜中峰值很高，并超過了標(biāo)準(zhǔn)，還存在多倍諧譜，從而得到發(fā)電機(jī)與齒輪箱存在較大的偏差，存在不對(duì)中的現(xiàn)象。如果頻譜以及驅(qū)動(dòng)端軸承內(nèi)圈存在缺陷頻率，則可以說明軸承可能受到損壞。因此振動(dòng)分析法在齒輪箱故障診斷中有非常重要的作用。

5.3 振動(dòng)分析法在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

發(fā)電機(jī)組從正常運(yùn)行到發(fā)生故障，都會(huì)有一定的物理反應(yīng)，比如出現(xiàn)溫度升高、振動(dòng)或者液油檢測(cè)等。發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、整流器以及電刷等，在對(duì)電刷滑環(huán)系統(tǒng)分析過程中，由于無法通過常規(guī)的方法檢測(cè)溫度，因此很多情況下，都可以利用對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)來判斷故障是否出現(xiàn)。有一種基于振動(dòng)信號(hào)的電刷滑環(huán)面存在損傷，在檢查故障過程中可以在電刷滑環(huán)仿真平臺(tái)中，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行前后產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，從而有效地辨別是否存在故障。

6.結(jié)語

我國電力行業(yè)在發(fā)揮在發(fā)展過程中，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為非常重要的方向，不僅不會(huì)造成污染，還是可再生能源。但在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用過程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些故障，影響發(fā)電機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量。因此需要加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的堅(jiān)持和故障診斷工作，在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)過程中可以及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理，及時(shí)做好維護(hù)和保養(yǎng)工作，使得發(fā)電機(jī)可以提升工作效率。風(fēng)力發(fā)電的成本較高，因此做好振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作可以有效的降低損壞程度，降低更換成本，從而促進(jìn)發(fā)電機(jī)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。