风力发电机组振动故障诊断与分析

贾轶军

【摘 要】加强对风电机组的状态监测与故障诊断技术,作为保障机组可靠运行和寿命管理的关键技术,越来越受到重视.根据风力机的具体特点,对多台风力发电机组进行了实际监测,获得了大量实测数据,并应用多种振动测试分析技术,重点分析了主轴承、齿轮箱和发电机的振动特征和故障机理.为解决风电机组实际运行状态监测和故障诊断,提供了有效的技术支持和保障. 【期刊名称】《内蒙古石油化工》 【年(卷),期】2014(000)004 【总页数】3页(P73-75)

【关键词】风力发电机组;振动监测;齿轮箱;故障诊断 【作 者】贾轶军

【作者单位】中广核风力发电有限公司内蒙古分公司,内蒙古呼和浩特010020 【正文语种】中 文 【中图分类】TK830.8

风力发电作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和铁塔三部分。发电用的风力机有多种型式，根据风轮结构及在气流中的位置可分为两大类：水平轴式和垂直轴式风力机。实际投入应用的风力机多为水平轴式高速风力机。随着我国风力发电事业的发展，风电装机逐年快

速增加，风力发电机组单机功率迅速增大，风力机叶片、低速载重轴承、齿轮箱、发电机等组成部件随运行时间延长、工况交替变化都可能出现各种失效故障，为避免恶性故障的产生，同时最大限度的减少维修成本的支出，就必须在这些部件进入加剧磨损期前通过维护措施延长其使用寿命，并在其即将损坏前及时更换。因此加强对风力发电机组振动的监测，及时发现故障隐患、快速分析、诊断、处理故障，对保障风力风力发电机组安全运行有重要意义。 1 风力发电机组测点布置与传感器选择

就1500千瓦风机而言，一般在3米／秒左右的风速自动启动，在11.5米／秒左右开始发出额定功率，直到风速达到25米／秒（有些机组22米／秒）时自动停机。考虑到风电机组不易在内部固定永久性测点，因此在机组外部布置测点测量轴系各支撑点的瓦振为主，通过速度传感器得到瓦振的振动速度幅值、相位，也可以进行积分得到瓦振的振动位移幅值、相位。国际一些公司已接受VDI 3834标准作为水平风力涡轮机的振动评价标准，见表1。

表1 VDI 3834－1振动烈度限幅表单位：mm／s注：机组各主要部件振动烈度低于A／B边界值，表示振动状态良好；振动烈度高于B／C边界值，表示振动处于危险区域；振动烈度处于两边界值之间时，表示振动处于报警区，不宜长期连续运行。3.2 5.6 10 2.0 3.5 6.0 B／C边界值主轴承 齿轮 发电机A／B边界值 水平轴式风力风电机组的轴系主要由叶轮、低速轴、齿轮箱、高速轴、发电机组成，按照图1所示风电机组的结构特点，对机组的如下信号（见表2）进行监测： 表2 风电机组振动测点布置表机组名称测点名称测点数量传感器 备注低频速度传感器 垂直齿轮箱输入轴 2 低频速度传感器 垂直、水平齿轮箱行星级外齿圈（输出轴）机组主轴承 1风力发电机组3 速度传感器 垂直、水平、轴向发电机前轴承 2 速度传感器 垂直、水平发电机后轴承 1 速度传感器 垂直方向转速 1光电传感器 振动传感器主要布置在主轴、齿轮箱和发电机组上。其中在主轴承、齿轮箱输入轴

处各安装一只专用低频速度传感器，齿轮箱行星级外齿圈、输出轴以及发电机前后轴承处布置振动速度传感器，用于全方位监测风力发电机组的振动状态，振动测点布置示意图如图1所示。

图1 水平轴式风力发电机组测点布置图 2 振动数据测取

风电机组的振动测量主要在机组启动升速过程和并网带负荷过程中，测量各轴承座附近的振动情况。

观察机组升速过程中的振动情况，尤其是通过临界转速区时主轴承、增速齿轮箱、发电机转子振动是否超标；转速到达临界转速附近时，转子往往出现较大的共振振幅，如果轴系存在质量不平衡时振动会很大甚至超标，因此监视临界转速共振振幅是机组振动评价的重要依据。

观察机组高转速区及带负荷后振动情况，风电机组在一定的高转速区间内均可以并网发电，监测此时主轴承、增速齿轮箱、发电机转子振动是否合格，其振动频率是否正常。

观察机组制动时的振动情况。风电机组风速低和风速高均会制动停机，观察此时机组的振动情况是否会对机组安全构成威胁。 3 振动数据分析

针对风电机组振动监测得到的数据，可以进行图谱分析，以便于分析与振动相关参数的变化情况，振动分析中常用的图谱有波德图、趋势图、频谱图等。 3.1 波德图

使用波德图可以明确反映风电机组启动升速过程中的振动情况，尤其是监测其通过临界转速区主轴承、齿轮箱轴系、发电机转子的振动情况。 主轴承波德图

某机组启动升速过程中主轴承振动情况如图2所示。

该机组升速过程中，发电机从静止升速到约1600r／min左右，但主轴承从静止状态升速到22r／min左右，其振动基本平稳，处于良好区域（按表1标准）。 该机组升速过程中，发电机从静止升速到约1600r／min左右，齿轮箱输入轴端与主轴承同轴，转速从静止状态升速到22r／min左右，其振动基本平稳，处于良好区域（按表1标准）。 图2 某风电机组主轴承波德图 3.2 齿轮输入轴振动频谱图

某风电机组在1612r／min时齿轮输入轴垂直振动频谱图见图3所示。 图3 某风电机组齿轮输入轴垂直振动频谱图 3.3 齿轮箱输出轴振动趋势图

如4图所示为一段时间内某风电机组齿轮箱输出轴垂直、水平振动烈度的变化曲线。

图4 某风电机组齿轮箱输出轴垂直、水平振动趋势图 4 风电机组振动故障机理分析 4.1 主轴承振动机理

风电机组的主轴承为滚动轴承，轴承在运转过程中总会出现振动与噪声，其中滚动运行产生的滚道声是轴承固有的基础振动与声音，而相关的轴承结构设计、制造过程中滚动表面几何形状误差、轴承洁净度、滚动表面磕碰伤及安装间隙、中心标高不当也会引发振动。滚动轴承振动原因可分为：

4.1.1 滚道振动。即轴承旋转时滚动体在滚道中滚动而激发的一种平稳且连续的振动，产生源在于受到载荷后的套圈固有振动所长，其频率一般稳定，随轴承刚度增大而减小，随径向游隙增大而增大。

4.1.2 落体滚动振动，出现在低速且承受径向载荷的大型轴承。轴承在径向载荷下运转，轴承内存在载荷区域非载荷区，当轴承内存在径向游隙时，受离心力和自重

力作用，滚动体落下与内滚道或保持架碰撞激发轴承的固有振动和噪声，常发生在冬季、润滑介质质量差、受径向载荷且径向游隙大的轴承上，可能是连续的也可能是断续的，且常激发外围的二阶、三阶弯曲固有振动。

4.1.3 滚动体振动。轴承在径向载荷下运转，内部只有若干个滚动体承受载荷，由于与套圈的弹性接触构成的“弹簧”支撑使滚动体通过径向载荷作用线时产生了周期性振动，其振动频率一般为滚动体公转频率fc的Z（滚动体数量）倍，其振幅与轴承类型、径向载荷、径向游隙、滚动体数目有关。当振幅大时，可采用采用预载荷方法、减小径向游隙方法来降低。 4.2 齿轮箱振动机理

风电机组发生齿轮箱故障主要有以下可能的原因：①齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损：如大气温度过低，润滑剂凝固，造成部分接触面润滑不足发生磨损；润滑剂散热不好，造成润滑剂提前失效发生机械啮合面损坏；滤芯堵塞、油位传感器污染造成润滑剂失效损坏啮合面等。②设计存在缺陷：齿轮的承载能力一般是按照ISO6336进行，由于实际风载荷的变化幅度很大，齿轮实际载荷与设计存在偏差，造成齿轮表面损伤甚至因表面载荷过大造成疲劳破坏。因此如果齿轮箱内的轴承选择不合适，轴承扭矩载荷过大时也会造成轴承损坏。③失速调节型风电机组如果安装角设置过大时，冬季会出现过功率现象，过高载荷会影响齿轮箱的寿命。 齿轮的振动频谱图中包含着丰富的信息，包含几阶啮合频率的谱线和齿轮的转动频率；不同的齿轮故障具有不同的振动特征，其相应谱线会发生变化且带有大量边频带，因此进行频谱分析时必须有足够的频率分辨率，否则很容易误判或漏判。 4.3 发电机振动机理

风电机组发电机有小型普通汽轮发电机组机组的发电机相似之处，其振动受轴系激振力和刚度的影响，与激振力成正比，与刚度成反比。发电机转子诱发振动的原因有：①发电机转子存在残余质量不平衡，会导致对应阶次临界转速区共振，临近转

速区振动偏大。②当发电机转子因内部布置线槽等而出现径向刚度不对称情况，会加剧二倍频（二倍于工作频率）振动。③发电机转子线圈局部短路、空气间隙不均匀时，会产生不均匀电磁力，引起转子振动；不对称电磁力的频率等于转子磁极对数乘以工作频率，风力发电机磁极对数均为2对，即产生二倍频转子振动。这种故障引起的振动随励磁电流的增大而增大，且无时滞，因此可通过改变励磁电流观察振动变化，确认故障原因。④发电机转子线圈匝间短路、对地短路引起转子局部过热或者内部冷却条件不均都会使发电机转子产生热弯曲，造成不平衡振动，这种振动一般随时间延长而加大，当然前者（短路引起局部过热造成的热弯曲）还随励磁电流增大而增大。 5 结论及建议

目前国内对于风电机组齿轮箱齿轮、主滚动轴承的故障诊断也处于摸索阶段，这些部件的振动情况缺乏足够的历史运行数据进行比对分析，对于位于齿轮箱内的轴承及啮合齿轮的频谱诊断也缺乏足够的实践经验。今后在风电机组的运行维护中应注意以下几点：①必须深入了解滚动轴承、齿轮箱输入的载荷谱及齿轮箱的原始振动频谱，对主轴承、齿轮箱故障进行预防，当出现故障特征频率时及时分析处理，并不断进行测试最终建立故障数据库。②定期检查润滑剂是否有杂质、是否失效，啮合、接触部位是否得到充分润滑。③设计厂家应对不同用户采取不同设计数据，对风力变化大、交变应力大的应用风场，应对齿轮箱及轴承采取强化设计。 [参考文献]

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[3] 金鑫，何玉林，刘桦.基于Pitt－peters理论的风力发电机振动分析[J].工程力

学.