淺談風電機組塔架的損傷理論與振動監測

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；振動監測

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

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，材料就會出現斷裂或折斷，從而導致損傷[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。

該理論的主要內容是機械零件在荷載的作用，出現疲勞，在這個過程中產生的疲勞導致損傷原則。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。現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次數為N，那么當某一循環數為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次數為正比例關系，具體公式如下：

如果零件受到的荷載由不同的循環應力組成，具體有l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次數為n1，n2，……，nl，那么損傷的表示公式如下：

在公式中，ni——在一段應力范圍內的作用載荷循環次數；

Ni——在一段應力范圍內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，在此時容易出現疲勞并出現損傷。

2.風電機組的振動監測

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測系統中，應及時獲取載荷信號，這是故障診斷和在線監測的前提條件。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據時，要選在合適的時間，并確保風機轉速和風能較為穩定，同時負載情況也較為穩定，然后記錄各監測點的關鍵性數據，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，因為受到沖擊或碰撞的影響，會產生振動，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，所以風電機組的振動監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信號和非平穩信號兩種，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時間做無規律變化，對于非平穩信號的分析方法一般有小波變化和經驗模態分解等。小波變換是應用最廣的信號分析方法，在參數識別和振動模態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，相關人員無法在監測前得知噪聲的頻率和范圍。

3.結束語

通過上文對風電機組塔架的損傷理論與振動監測的分析，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故障的幾率，使維護成本降低，提升風電機組的經濟效益，應重點分析風電機組的關鍵零部件，掌握損傷理論，做好塔架的振動監測工作，提升風電機組的經濟效益。

參考文獻：

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

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

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

[4]許明.風力發電機組輪穀和塔架的載荷分析研究[D].內蒙古：內蒙古農業大學，2009.